NGN Tema 5 - Redes de Acceso Inalámbricas
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Tema 5Redes de Acceso Inalámbricas
Sergio Bleda Pérez
Redes de Acceso Inalámbricas
1. Introducción2. Caracterización de canales móviles En banda estrecha En banda ancha
3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+
4. LTE Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (E-UTRAN) Núcleo de Red (EPC) Mejoras: LTE-Advanced
5. WiMAX 2 2
Introducción
Inicialmente las comunicaciones móviles sedestinaban únicamente a telefonía, cualquier otro usoera residual
Sin embargo, cada vez se da más peso a los datos La telefonía se va relegando poco a poco a un segundo
plano, se va transformando en tráfico de datos Aún así sigue siendo muy importante, por lo que mantiene un
trato preferente, siempre está presente en los diseños
Hemos pasado de hablar de telefonía móvil a redesde comunicaciones móviles Como las redes de datos están dominadas por el protocolo IP
se tiende a redes todo IP
3
Introducción
En comunicaciones móviles el medio de transmisiónes común para todos los agentes
¿Cómo se consigue compartir el medio con muchosusuarios de forma simultánea? Se proporcionan recursos radio ortogonales a cada uno
4
Introducción
¿Ortogonales? Que no interfieren unos con otros, el uso de un recurso no
influye en los recursos de los demás Aunque el diseño teórico lo permite, en muchas situaciones
esto no es totalmente posible: se rompe la ortogonalidad
Recursos ortogonales: Bandas de frecuencias: FDMA Intervalos de tiempo: TDMA Códigos ortogonales: CDMA División espacial (células) Híbridos
Técnicas de multiacceso5
Introducción
Técnicas de multiacceso según la generación:
6
1GTACS• FDMA
2GGSM, GPRS, EDGE• FDMA + TDMA
3GUMTS, HSPA• CDMA
4GLTE, WiMAX2• LTE,
LTE-Advanced: OFDMA, SC-FDMA
• WiMAX2: OFDMA
División celular Proporciona ortogonalidad espacial Aumenta la complejidad del sistema
Traspasos (handover) Sincronización Interferencias
Introducción
7
División celular Se suele emplear una única estación tri-sectorizada Con una única ubicación se obtienen 3 células Permite mejoras en la gestión de la potencia
Introducción
NORTE
SURESTESUROESTE8
Tipos de células según su tamaño: Macrocélulas:
En zonas rurales, urbanas o suburbanas. Decenas de kilometros de cobertura.
Microcélulas: En zonas urbanas. Hasta 1 km de cobertura.
Picocélulas: En edificios. Hasta 100 metros de cobertura
Femtocélulas: En hogares, negocios. Extienden la cobertura en interiores. Se conectan a la red de banda ancha.
Introducción
9
Planificación de una red de acceso inalámbrica:
Delimitación de la zona a cubrir Tipo de zona
Rural, urbana, … Cartografía
Altimetría (MDT): Cotas sobre el nivel del mar. Elevación (MDE): Solo zonas urbanas, MDT + edificios. Modelo digital del suelo (MDS): Zonas urbanas y rurales,
MDT + otros elementos (arboles, edificios, …). Morfografía: Uso del suelo.
Método de cálculo de la cobertura En función de los dos anteriores
Emplazamientos Existentes Nuevos
Introducción
10
Planificación de una red de acceso inalámbrica:
Especificaciones de los equipos y la tecnología: Tecnología a emplear:
GSM, UMTS, LTE, WiMAX, … Bandas de frecuencia Anchos de banda previstos Tipo/s de servicio/s
Especificaciones de los equipos Antenas Transceptores Equipos de usuario (categoría) etc…
Introducción
11
Planificación de una red de acceso inalámbrica:
Cálculos a realizar Pérdidas de propagación
Pérdidas básicas según el modelo empleado Correcciones por desvanecimientos (sombra/multitrayecto)
Estaciones Localización Sectores
Balance de enlace Ascendente (suele ser el más limitador) Descendente Carga Número de usuarios …
Introducción
12
Redes de Acceso Inalámbricas
1. Introducción2. Caracterización de canales móviles En banda estrecha En banda ancha
3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+
4. LTE Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (E-UTRAN) Núcleo de Red (EPC) Mejoras: LTE-Advanced
5. WiMAX 2 13
Necesitamos conocer el comportamiento de la señalde radio en el ámbito de las comunicaciones móviles
Diferencias con un radioenlace común: No es un enlace punto a punto
Es punto a zona Varía según la posición del usuario
No suele haber visibilidad directa (NLOS) Pérdidas de propagación muy superiores
Existen multitud de reflexiones (Multitrayecto) Produce problemas de desvanecimiento y distorsión Aunque permite mejorar la cobertura y aumentar la tasa binaria
El usuario suele estar en movimiento Existe variabilidad temporal y desplazamiento Doppler Esto limita la tasa binaria alcanzable debido a los errores
Caracterización de canales móviles
14
Por todo ello podemos deducir que: Un canal móvil NO es un radioenlace simple
Además, la señal es mucho más vulnerable a losproblemas del canal cuanto más ancho de bandaocupa
Por lo que necesitamos tener en cuenta el ancho debanda al caracterizar el canal Caracterización en banda estrecha Caracterización en banda ancha
¿Cuál es el límite?
Caracterización de canales móviles
15
Límite para diferenciar entre banda ancha y estrecha 1 MHz
Caracterización de canales móviles
16
2G 200 kHz
Banda estrecha
3G 5 MHz
Banda ancha
4G 1,4 MHz100MHzBanda ancha
(OFDM)
Caracterización del canal móvil en banda estrecha Determinación de la pérdida básica de propagación entre la
estación base y varios puntos de la zona de cobertura La caracterización permite:
Delimitar la zona de cobertura Determinar las posibles interferencias entre celdas que emplean
las mismas frecuencias
Caracterización del canal móvil en banda ancha Las señales de banda ancha se ven más afectadas por el
multitrayecto Muy acusado en zonas montañosas y grandes ciudades. En estas zonas hay cobertura gracias al multitrayecto
Se caracteriza el canal para estudiar: Dispersión Temporal: debida al multitrayecto Dispersión Doppler: debida al movimiento
Caracterización de canales móviles
17
Para mejorar la caracterización se realizan medidas insitu (drive test) Utilidad:
Validar los modelos de predicción (software) Analizar problemas de cobertura Analizar posibles interferencias Analizar la variabilidad del canal
Caracterización de canales móviles
18
Caracterización de canales de banda estrecha
19
Se emplean modelos de predicción para estimar lapérdida básica de propagación Cuanto se atenúa la señal de radio en la zona de cobertura
Generalmente estos cálculos los realiza un softwareque implementa los diferentes modelos, apoyándoseen cartografía digital. EDX, ATDI, ATOLL, Radio Mobile, IQLink, Xirio, etc…
Los modelos son empíricos, semi-empíricos ofisico-matemáticos. Solamente proporcionan una aproximación Deben amoldarse a las características de la zona
Caracterización en banda estrecha
20
Clasificación de los tipos de zonas
21
Gran CiudadGran
Ciudad
De más de 50.000 Hab.
Ciudad Pequeña / Mediana
Ciudad Pequeña / Mediana
Menos de 50.000 Hab.
Zona Suburbana
Zona Suburbana
Urbanizaciones
Polígonos
Zonas residenciales
Zona RuralZona Rural
Carreteras
Campo
Montaña
Aldeas
Zonas Específicas
Zonas Específicas
Túneles
Interiores de edificios
Modelos para macrocélulas
22
Las macrocélulas se caracterizan por abarcar unaamplia zona de cobertura
El límite del tamaño de la cobertura depende delentorno: Rural: 20-30 km Urbana/suburbana: 1-1,5 km
La estación base debe tener una posición dominante Con una altura superior a los terrenos/edificios de su zona de
cobertura Algunos modelos incluyen casos para cuando esto no es así,
pero debe evitarse
Modelos para macrocélulas
23
En entorno rural
Modelos para macrocélulas
24
• Propagación por difracción• Tiene en cuenta diferentes tipos de obstáculos
Recomendación UIT-R P.526-10
• Método para predicciones punto-área para servicios terrestres en el rango de 30 a 3000 MHz
• Se suele emplear para dirimir problemas fronterizos
Recomendación UIT-R P.1546
En entorno urbano
Modelos para macrocélulas
25
• Modelo de referencia para grandes urbes
Okumura-Hata
• Extensión a frecuencias más elevadas
Hata-Cost-231
• Tiene en cuenta parámetros urbanísticos
Cost-231 – Walfish – Ikegami
• Tiene en cuenta parámetros urbanísticos y la difracción.
XIA
Modelo clásico (finales de los 70)
Okumura lo desarrolló en base a medidas en Tokio ysus alrededores, Hata lo plasmó en fórmulas Es el modelo de referencia para grandes ciudades No da buen resultado en zonas rurales Debido a su sencillez y precisión se suele aplicar cuando no
se dispone de cartografía digital
Hay que tener en cuenta que: No es útil para las bandas 1800-2100-2600 MHz Pero si para 800-900 MHz (GSM y dividendo digital)
Okumura-Hata
26
Pérdida básica de propagación en zona urbana (dB):69.55 26.16 13.82
44.9 6.55
Siendo: : frecuencia. Rango: [150,1500] MHz : altura de la estación base (BS). Rango: [30,200] m : altura del eq. de usuario (UE). Rango: [1,10] m : distancia. Rango: [0.8,20] km : factor de corrección, debido a la altura del UE
Si trabajamos en zonas rurales o suburbanas habráque hacer una corrección
Okumura-Hata
27
Altura de la antena de la estación base: Es necesario hacer una corrección de la altura de la antena,
teniendo en cuenta que el terreno no siempre es plano Se ajusta en referencia a la altura media del terreno en la
zona de cobertura
Siendo: : altura efectiva de la estación base (m) : cota del terreno bajo la estación base (m) , : distancias que definen la zona de cobertura : altura media del terreno en la zona [ , ] (m) : altura de la antena (m)
Okumura-Hata
28
Corrección por la altura del equipo de usuario: La altura estándar del equipo de usuario es 1.5m Para 1.5m 0 Para otras alturas se deberán aplicar correcciones
Corrección para gran ciudad:8.29 1.54 1.1 f<200 MHz3.2 11.75 4.97 f>400 MHz
Corrección para ciudad pequeña-mediana:
1.1 0.7 1.56 0.8
Okumura-Hata
29
Correcciones a realizar si la zona de recepción no esurbana
Corrección por zona suburbana
2 28 5.4
Corrección por zona rural4.78 18.33
40.94
Okumura-Hata
30
Este modelo se desarrolló como una extensión delOkumura-Hata para frecuencias superiores COST-231 fue un proyecto de investigación europeo Es válido para 1800 y 2100 MHz En principio, también se puede emplear para 2600 MHz
Pero hay que tener cuidado con los resultados
Pérdidas básicas de propagación (dB):46.3 33.9 13.82
44.9 6.55
Donde: 0, para ciudades pequeñas/medianas 3, para gran ciudad
Hata-COST-231
31
Modelo más preciso que el Hata-COST-231 Tiene en cuenta parámetros urbanísticos
Altura media de los edificios Anchura de calles …
Se emplea tanto para UMTS como para LTE
Fiable siempre que la estación base rebase la alturamedia de los edificios (macrocélulas) Poco fiable para antenas rasantes Muy poco fiable para antenas bajas (microcélulas)
COST-231-Walfish-Ikegami
32
Geometría: (imágenes de xirio-online)
COST-231-Walfish-Ikegami
33
VISTA LATERAL
VISTA SUPERIOR
Parámetros del modelo: f: frecuencia (MHz) hr: altura media de los edificios (m) w: anchura de la calle (m) b: separación media entre edificios (m) φ: ángulo formado por la dirección de propagación y el eje la
calle (grados) hb: altura de la estación base (m) hm: altura equipo de usuario (m) l: distancia entre el primer y el último edificio del trayecto (m) d: distancia estación base-dispositivo móvil (km) ∆hm = hr – hm (m) ∆hb = hb – hr (m)
COST-231-Walfish-Ikegami
34
Restricciones de validez: f = 800 – 2000 MHz hb = 4 – 50 m (altura de transmisor) hm = 1 – 3 m (altura de receptor) d = 0.02 – 50 km (distancia transmisor-receptor) ∆hb > 0 m (altura relativa del transmisor respecto a los
edificios)
Pérdidas básicas de propagación Con visión directa (LOS - Line Of Sight) sólo se contempla la
pérdida en espacio libre
42.6 26 20
COST-231-Walfish-Ikegami
35
Pérdidas básicas de propagación Sin visión directa (NLOS - Non Line Of Sight)
Donde: : Pérdidas de propagación en campo libre (ideales) : Pérdidas por difracción tejado-calle (Roof To Street) : Pérdidas por difracción multipantalla (Multi-Screen diffraction)
Los dos últimos términos no pueden ser menores a cero, encaso de serlo se igualan a cero
: Pérdidas de propagación en campo libre
32.4 20 20
COST-231-Walfish-Ikegami
36
: Pérdidas por difracción tejado-calle
8.2 10 10 20 ∆
10 0.354 0° 35°2.5 0.075 35 35° 55°4.0 0.114 55 55° 90°
Donde: w: es la anchura de las calles (m) f: es la frecuencia (MHz) ∆ , Es la diferencia de alturas (m) : es una corrección por la orientación de la calle (dB) : es el ángulo entre el eje de la calle y la dirección de
propagación (grados)
COST-231-Walfish-Ikegami
37
: Pérdidas por difracción multipantalla
9 b
18 1 ∆
Donde: : es la ganancia por sombra (pérdida negativa) que sucede
cuando la antena sobresale de los edificios , , : son tres cantidades que determinan la dependencia de
la distancia y la frecuencia ∆ : es la altura que sobresale la antena
COST-231-Walfish-Ikegami
38
54 ∆ 054 0.8∆ ∆ 0, 0.5
54 0.8∆ 0.5 ∆ 0, 0.5
18 ∆ 0
18 15∆
∆ 0
4 0.7 925 1 ñ /
4 1.5 925 1
COST-231-Walfish-Ikegami
39
Es un modelo bastante preciso
Se emplea en entornos urbanos y suburbanos
Tiene en cuenta parámetros urbanísticos Altura media de los edificios Anchura media de calles …
Hasta cierto punto tiene en cuenta la difracciónproducida por los edificios
Se emplea para UMTS y LTE
XIA
40
Geometría: (imágenes de xirio-online)
XIA
41
Antena bajo tejados
Parámetros del modelo: f: frecuencia (MHz) w: anchura media de las calles (m) b: separación media entre edificios (m) hb: altura de la estación base (m) hm: altura equipo de usuario (m) hr: altura media de los edificios (m) x: distancia UE – edificios
XIA
42
Pérdida básica de propagación:
Emplea los tres mismos términos que Walfish-Ikegami Pérdidas en espacio libre Atenuación tejado-calle Difracción multipantalla
Sin embargo el cálculo de cada término difiere
Además, cada término se calcula de manera distintadependiendo del escenario en el que nos encontremos
XIA
43
Escenario 1: Antena dominante La antena transmisora supera la altura media de los edificios
32.45 20 20
Escenario 2: Antena casi rasante 2-3 metros superior a los edificios Tiene en cuenta el scattering local debido a los edificios
próximos a la base (menos atenuación en el receptor)29.45 20 20
Escenario 3: Antena bajo tejados Altura de la antena inferior a la altura media de los edificios Se calcula igual que en el escenario 2
29.45 20 20
XIA: L0 (espacio libre)
44
Se calcula a través de la teoría geométrica dedifracción (GTD)
27.78 10 1020 2
atan∆
ΔΔ
Donde: : es el ángulo formado entre la posición del UE y la
altura de los edificios. (rad) r: distancia del punto de difracción al UE ∆ : diferencia de altura UE – edificios (m) x: distancia UE – edificio (m)
XIA: Lrts (tejado-calle)
45
Escenario 1: Antena dominante14.9 18 Δ 9 920 1 4 10 Δ 3
Escenario 2: Antena casi rasante60 20 20
Escenario 3: Antena bajo tejados
35.2 20 20 1010 20 2
ΔΔ
Δ
XIA: Lmsd (difracción multipantalla)
46
Se obtiene de la recomendación UIT-R P.525-2 “Calculo de la atenuación en el espacio libre”
Este modelo se puede emplear en enlaces punto apunto y punto a zona. Punto a punto: requieren visión directa (ej. WiMAX) Punto a zona: meramente informativo, sirve para determinar
que área de cobertura tiene visión directa
32,45 20 20
Si no hay visión directa la atenuación es infinita.
LOS: Modelo de visión directa
47
Todos los modelos tienen sus bondades y susproblemas
La elección de uno u otro depende principalmente dela zona a tratar y de la cartografía disponible En zona rural:
Se suele emplear: UIT-R P-526 Si hay problemas fronterizos: UIT-R P-1546
En zonas urbanas/suburbanas: Okumura-Hata: si no se dispone de cartografía (<1800 MHz) Hata-Cost-231: si no se dispone de cartografía ( 1800 MHz) Walfish-Ikegami: cartografía de poca resolución XIA: Cartografía de alta precisión (1-2 metros de resolución)
En enlaces punto a punto: Modelo LOS, UIT-R P-526, Okumura/Cost-231
¿Qué modelo usar?
48
Modelos para microcélulas
49
Las microcélulas se caracterizan por los siguientesaspectos: Estación base de 3 a 10m de altura, casi siempre por debajo
de los tejados (no sirven los modelos previos) Cobertura pequeña Están muy influenciadas por los edificios
Poca atenuación en zonas LOS (estamos cerca) Atenuación rápida e importante al pasar de LOS a NLOS Atenuación lenta y progresiva, al internarse más en la zona
NLOS.
Por tanto los modelos deben diferenciar los dosescenarios posibles: Con visión directa (LOS) Sin visión directa (NLOS)
Modelos para microcélulas
50
En estos modelos se debe tener en cuenta el punto detransición (turning point):
4 m
es la longitud de onda ( , si f está en MHz)
A partir de esta distancia la atenuación es diferente Hay que emplear dos ecuaciones distintas, en función del
punto de transición10
10 10
Modelos con visión directa (LOS)
51
d≤dtp
d>dtp
En las ecuaciones anteriores: Pérdida básica:
20 27.6
n1 y n2 son constantes que se han obtenido a partir demediciones empíricas.
Ejemplo: Valores medidos en Barcelona [1]
Modelos con visión directa (LOS)
52
Tipo de calle n1 n2
Regular 2.3 6.9Avda. amplia 2.1 5.7
Irregular 2.2 13.3
Modelo de LUND: Modelo creado por la Universidad de Lund de Suecia Es una modificación del modelo anterior que combina las
ecuaciones L1 y L2 para producir una transición progresivaentre ambas
10 2.5
4
Modelos con visión directa (LOS)
53
En estos modelos se distinguen 3 zonas que reflejanel comportamiento de la atenuación:
1. Zona LOS (poca atenuación)2. Transición de LOS a NLOS (atenuación rápida)3. Zona NLOS (atenuación lenta)
Modelos sin visión directa (NLOS)
54
TX
RX
x
yφ
wd
w1
Para el cálculo de la atenuación básica se debentener en cuenta dos componentes: L(x): Componente LOS (se calcula con el modelo LOS) L(y): Componente NLOS
u y
Donde: u(y) es la función escalón unidad, (1 si y≥0; 0 si y<0)
10
Modelos sin visión directa (NLOS)
55
Fórmulas para el cálculo de los parámetros en funciónde la geometría:
2.75 1.13 .
Distancias (m): φ debe estar en radianes
8.92 1.7
10.7 0.22 2.99
0.62 4.9
Modelos sin visión directa (NLOS)
56
Todos los modelos vistos proporcionan unaestimación de las pérdidas básicas de propagación Sin embargo, estas estimaciones son demasiado optimistas
Si nos situamos en el borde de la célula, la estimaciónobtenida solamente se cumple en el 50% de laslocalizaciones La potencia real recibida es menor Conforme nos acercamos a la BS el % aumenta
Esto es debido a que los modelos no tienen en cuentatodos los aspectos posibles de la propagación Hay que introducir algún factor que permita realizar una
estimación más realista Se deben tener en cuenta los desvanecimientos por sombra y
multitrayecto
Caracterización en banda estrecha
57
La atenuación real se obtiene sumando a la obtenidapor el modelo dos factores:
G: Atenuación por sombra (desvanecimiento lento) R: Atenuación por multitrayecto (desvanecimiento rápido)
Como G y R dependen de la posición, se calculan enpromedio En un entorno entre 10 a 20
Caracterización en banda estrecha
58
Los obstáculos que encuentra la señal proyectan unasombra lo cual produce una disminución de la señalrecibida
La atenuación producida sigue una distribucióngaussiana de media nula y desviación típica Trabajando en escala logarítmica
Sumando un margen de seguridad de 1,28σL dB seconsigue un 90% de localizaciones que cumplen
Desvanecimiento por sombra
59
50%90% 1,28
95% 1,65
Generalmente se realizan los cálculos con elobjetivo del 90% de las localizaciones
El parámetro σL suele estar en un margen entre 6y 10 dB.
Por lo tanto, si faltan datos se suele considerar unvalor σL = 8 dB.
Desvanecimiento por sombra
60
El multitrayecto produce interferenciasdestructivas que generan desvanecimientos Estos desvanecimientos son pronunciados, breves y
dependientes de la frecuencia Por eso se denomina desvanecimiento rápido Siguen distribuciones estadísticas de Rayleigh o Rice.
En la práctica no se suelen tener en cuenta paralos canales de banda estrecha
Desvanecimiento por multitrayecto
61
Caracterización de canales de banda ancha
62
Caracterización en banda ancha
La propagación de la señal se comporta igual tanto sitransmitimos una señal de banda ancha o estrecha Teniendo en cuenta la dependencia con la frecuencia
Sin embargo, una señal de banda ancha se ve muchomás afectada por determinados efectos adversos
Estos efectos perjudiciales son principalmente dos: La dispersión temporal: debida al multitrayecto La dispersión Doppler: debida al movimiento
No sólo por el movimiento del receptor
El problema del multitrayecto
La señal llega al receptor a través de múltiplescaminos
Esto proporciona una ventaja: Amplía la cobertura
Pero también tiene inconvenientes: Desvanecimiento de la señal (interferencia destructiva) El canal se hace selectivo tanto en frecuencia como en el
tiempo. Esto produce distorsión e interferencia entre símbolos, por lo
que se limita la tasa binaria.
La parte más influyente en el multitrayecto es elentorno próximo al receptor Unas 50λ de radio a su alrededor
El problema del multitrayecto
Ejemplo de multitrayecto con una señal de audio: Vais a escuchar un tono de 1 kHz de 7s de duración Para notar el desvanecimiento multitrayecto basta con girar la
cabeza de un lado a otro Debido a la velocidad de propagación del sonido, para notar
claramente el desplazamiento Doppler habría que correr muyrápido alrededor de la sala
NOTA: En la sala hay posiciones en las que no seescucha nada: interferencia destructiva total Sin embargo nosotros oímos siempre ya que tenemos dos
oídos: diversidad en recepción
Caracterización en banda ancha
La caracterización en banda ancha es lacaracterización del multitrayecto
Hay que caracterizar cada una de las componentesdel multitrayecto Cada componente tendrá: amplitud, retardo, fase relativa y
desplazamiento Doppler El desplazamiento Doppler dependerá del ángulo relativo
entre el vector de desplazamiento del receptor y el vector dellegada del rayo
x[n] y[n]
Caracterización en banda ancha
Canal con multitrayecto (modelo más simple):
, , : son la amplitud, el retardo y la fase relativa deltrayecto i-ésimo
N: es el número de trayectos distintos
En realidad estas funciones variarán con el tiempo: , y ,
Respuesta al impulso
Función de transferencia
Caracterización en banda ancha
Caso simple: canal con 2 únicos trayectos
Respuesta al impulso Función de transferencia
Muy selectivo en frecuencia
Poco selectivo en frecuencia
Desvanecimientos1/
1/
1/
Caracterización en banda ancha
Caso general: múltiples retardos
Ds: Dispersión de retardo (delay spread). Es la desviación típicadel retardo. Valor RMS de la diferencia de retardos
Bc: Ancho de banda de coherencia. Indica el ancho aproximadodel canal en el cual éste permanece relativamente estable
Esta es la forma de cuantificar la Dispersión temporal
Ds Bc=1/Ds
Respuesta al impulso Función de transferencia
Dispersión temporal
A la aparición de los múltiples ecos de la señaldebidos al multitrayecto, es lo que se conoce comodispersión temporal
Esta dispersión produce varios efectos adversos: Selectividad en frecuencia Interferencia entre símbolos
Veamos a continuación cada uno de estos efectos
Selectividad en frecuencia
El ancho de banda de coherencia nos indica loselectivo que es en frecuencia del canal
Hay que comparar el ancho del canal con el ancho decoherencia: Si W < Bc: canal aprox. plano Si W > Bc: selectivo en frec.
FSF: Frequency Selective FadingBc
Función de transferencia
WWW
Selectividad en frecuencia
El ancho de banda de coherencia viene determinadoprincipalmente por el entorno
Cuanto más cerca esté todo las reflexiones llegaránantes, habrá menor dispersión de retardos y por tantomayor ancho de banda de coherencia
Anchos de banda de coherencia típicos según elentorno: Interiores: de 3 a 30 MHz Urbano: de 300 kHz a 3 MHz Rural: de 100 kHz a 1 MHz
Interferencia entre símbolos
Si tratamos el problema desde el punto de vistatemporal, se puede ver la interferencia entre símbolos Siendo Ts el período de símbolo (BW=1/Ts)
Habrá ISI si: Ds > Ts (en frecuencia: Bc < BW)
La ISI limita la tasa binaria máxima Obliga a aumentar Ts
Símbolo 1• Ts
Símbolo 2• Ts
Símbolo 3• Ts
Ds: Dispersión de retardo
Desplazamiento Doppler
El movimiento produce desplazamientos enfrecuencia debidos al efecto Doppler En función de la velocidad relativa UE – propagación
BS UE′
v
Desplazamiento Doppler
El desplazamiento en frecuencia producido para unúnico rayo es:
cos
Donde: v es la velocidad relativa (m/s) es la longitud de onda (m) Alfa es el ángulo formado entre la dirección de propagación y el
vector desplazamiento del UE
La frecuencia percibida será la transmitida más eldesplazamiento Doppler:
Desplazamiento Doppler
Al existir multitrayecto, en lugar de una únicafrecuencia, se percibirán multitud de frecuenciasdispersas entre sí un ancho de banda Mismo efecto que en la dispersión de retardo OJO: pero ahora en frecuencia
Este ancho de banda es lo que se conoce como: Dispersión Doppler (Bd)
Su inversa es el Tiempo de Coherencia (Tc) Nos indica cada cuanto tiempo el canal cambia de
forma significativa Supondremos que durante Tc el canal no cambia
Desplazamiento Doppler
¿Cómo se puede luchar contra el desplazamientoDoppler?
Con técnicas de codificación de canal Reducimos la probabilidad de error
Regulando la potencia de emisión En lugar de transmitir a plena potencia, reducimos esta
al mínimo posible Así reducimos las reflexiones Debe haber realimentación para saber si llega o no
suficiente señal al receptor
Recapitulando
Parámetros que permiten determinar el comportamientode un canal con multitrayecto:
Tiempo
• Dc: Dispersión de retardo
• Tc: Tiempo de coherencia
Frecuencia
• Bc: Ancho de banda de coherencia
• Bd: Dispersión Doppler
Clasificación de canales
B
T
Ancho de banda
Período
Bc
Tc
3 4
1 2
1 – Canal plano en tiempo y frecuencia2 – Selectivo en tiempo, plano en frec.3 – Plano en tiempo, selectivo en frec.4 – Selectivo en tiempo y frecuencia
Estrategias según la generación
Cada generación ha desarrollado diferentesestrategias para tratar el multitrayecto
2G• Combatir
3G• Aprovechar• Mejorar
cobertura
4G• Aprovechar• Incrementar
capacidad
2G: Combatir el multitrayecto
En los sistemas antiguos (de banda estrecha), elmultitrayecto se considera indeseable, por lo tanto seintenta mitigar
Técnicas para combatir el desvanecimiento: Diversidad: en recepción y/o transmisión. Se emplean varias
antenas y se utiliza la que proporciona mejor señal Ecualización: la señal atraviesa un ecualizador que
compensa, en la medida de lo posible, los defectos del canal Codificación de canal y corrección de errores: técnicas que
permiten recuperar la señal transmitida original a partir de larecibida aunque en esta haya fallos
3G y 4G: Aprovechar el multitrayecto
¿Cómo se puede aprovechar el multitrayecto? Empleando varias antenas
En 3G se emplean receptores de tipo RAKE Se emplean varias antenas en recepción Se combina la señal de todas las antenas (MRC, Maximal
Ratio Combining) Esto permite elevar la SNR en recepción
En 4G se emplean técnicas MIMO MIMO permite emplear varias antenas tanto en transmisión
como en recepción Principalmente se usa para elevar la tasa binaria máxima Se puede elevar la SNR con las antenas sobrantes
Tema 5Redes de Acceso Inalámbricas
Parte II - UMTSSergio Bleda Pérez
Redes de Acceso Inalámbricas
1. Introducción2. Caracterización de canales móviles3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+
4. LTE Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (E-UTRAN) Núcleo de Red (EPC) Mejoras: LTE-Advanced
5. WiMAX 2
2
UMTS
UMTS: Universal Mobile Telecommunications System Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles
Se ideó como un sustituto de gran capacidad paraGSM/GPRS Principalmente para proporcionar servicio de datos
Ya que se había invertido mucho en construir la redGSM, se optó por: Mantener (y mejorar) el núcleo de red (de GPRS) Sustituir la red de acceso radio (RAN)
Se cambia GERAN por UTRAN GERAN tiene una capacidad muy limitada
3
UMTS
4
MSC GMSC PSTN
Circuitos (GSM)
BSC
BTS
BTS
SGSN GGSN Internet
Paquetes (GPRS)
GERAN2G
RNC
NodoB
NodoB
UTRAN3G
Núcleo de red(Core Network)
Red
de
Acc
eso
Rad
io (R
AN
)
Transcodificación
UMTS
Radio Access Network (RAN): GERAN:
BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller
UTRAN: NodeB: Node B RNC: Radio Network Controller
Core Network (CN): Circuitos:
MSC: Mobile Switching Centre (Central de Conmutación Móvil) GMSC: Gateway Mobile Switching Centre
Paquetes: SGSN: Serving GPRS Support Node GGSN: Gateway GPRS Support Node
5
Tecnologías de Nivel Físico
6
Tecnologías de nivel físico
La red UMTS emplea como técnica de multiaccesoW-CDMA
Es completamente distinta a la empleada por la redGSM Sin embargo, son compatibles…
7
2G GSM
• FDMA + TDMA
3G UMTS
• W-CDMA
Tecnologías de nivel físico
W-CDMA es una técnica de multiacceso que empleala división por códigos ortogonales combinada con latécnica de espectro ensanchado Espectro ensanchado (WWide) Códigos ortogonales (CDMA)
Las técnicas de espectro ensanchado eraninicialmente tecnologías de uso militar Hasta que no se desclasificaron no tuvieron uso civil La señal transmitida se camufla fácilmente Parece ruido de banda ancha, es difícil de detectar Las comunicaciones son robustas frente a interferencias
8
Señal con espectro
‘ensanchado’
Espectro ensanchado
DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum
9
• Periodo: T1
• Ancho de banda
• Codificación NRZ Polar
x(t)
Secuencia original
• Periodo: T2=T1/N• A. Banda
• NRZ Polar (Chips)
c(t)
Código expansor
Espectro ensanchado
Propiedades de y(t): Ancho de banda: BW2 Densidad espectral de potencia: N veces menor que x(t)
N: Factor de expansión (SF: Spread Factor)
Además, si elegimos una secuencia c(t) adecuada: La señal resultante parece ruido, por lo que puede pasar
desapercibida 10
22
f
PSDx
22
f
PSDy
Espectro ensanchado
¿Para qué ensanchamos el espectro? Para hacer más robusta la señal frente a interferencias
¿Por qué se hace más robusta? Veamos cual es la capacidad de un canal (R: tasa binaria máx.)
1
Donde: Eb/N0: energía por bit / densidad espectral de ruido Eb/N0 SNR por bit
11
bits/sShannon…
Además:
Espectro ensanchado
Sustituyendo y despejando Eb/N0 obtenemos:
2 1
Si calculamos el límite cuando BW tiende a infinito,manteniendo la tasa binaria R:
1,59
Teóricamente podemos transmitir con menos nivel de señalque de ruido
Conclusión: aumentando el ancho de banda decrecela SNR necesaria para transmitir con seguridad
12
Espectro ensanchado
Recuperación de la señal original: 1º Sincronización: hay que alinear las secuencias 2º Multiplicar por el código expansor (expandir otra vez)
3º Filtrar paso bajo Al ancho de banda original
Al hacer esto recuperamos la señal original Salvo un factor de escala (k, cte) que dependerá del
demodulador de recepción Al ser constante, en principio, no afecta
13
Espectro ensanchado
¿Qué sucede con las interferencias?
14
22
f
PSDx’
22
f
PSDy
Interferencia
SNR
FPB
Espectro ensanchado
¿Qué sucede con las interferencias? En la recuperación las interferencias son expandidas Reducimos su PSD:
Aumentando el factor de expansión (SF) reducimos deforma proporcional la potencia de las interferencias Y por tanto aumentamos la relación señal a ruido Por eso al SF se le denomina Ganancia de Procesado (pg,
processing gain)ñ 2
10/210
Esta propiedad es la que propicia la compatibilidadelectromagnética. 15
Ejemplo:
Multiacceso CDMA
CDMA: Code Division Multiple Access
Necesitamos tener capacidad de multiacceso Que varios usuarios puedan transmitir de forma simultánea La señal de uno necesariamente interferirá la de los demás
¿Cómo conseguimos multiacceso empleando lamisma frecuencia y tiempo? Con códigos ortogonales
¿Qué es un código ortogonal?
16
Multiacceso CDMA
¿Qué es un código (secuencia) ortogonal? Dos códigos son ortogonales entre sí, si al hacer su
correlación cruzada (desplazamiento 0) el resultado es cero.Es decir, su producto escalar es 0.
Si hacemos la autocorrelación de uno de ellos entoncesobtenemos una delta.
Hay muy pocas secuencias que cumplan estas dospropiedades Hay muy pocos códigos ortogonales
17
0
Multiacceso CDMA
Multiacceso por códigos ortogonales (síncrono) A cada usuario le asignamos un código ortogonal Empleamos ese código ortogonal como código expansor para
realizar ensanchado de espectro (DS-CDMA) Los usuarios transmiten a la vez, interfiriéndose entre sí En la recuperación, al emplear un código ortogonal solo se
recupera una señal, el resto se anulan completamente Por tanto, podemos elegir qué escuchar de todo lo que se
recibe
¿Y si hay rotura de la ortogonalidad? El multitrayecto y la falta de sincronización rompen la
ortogonalidad Las interferencias no se anularán por completo Pero tendrán muy poco nivel
18
Multiacceso CDMA
¿Cómo se generan los códigos ortogonales? Mediante un árbol OVSF (Orthogonal Variable Spread Factor)
Dado un código ortogonal, ninguno de susascendientes o descendientes es ortogonal con el
19
→,,
SF=1 SF=2 SF=4 SF=8
Multiacceso CDMA
Una vez elegido el factor de expansión, es sencillo verque no hay muchos códigos ortogonales
Los códigos dejan de ser totalmente ortogonales si noestán correctamente sincronizados El enlace descendente es sencillo de sincronizar
Sólo transmite la estación base En el ascendente es imposible
Hay muchos móviles, y cada uno en una posición distinta
¿Qué podemos hacer? Empleamos códigos de aleatorización
20
Multiacceso CDMA
Códigos de aleatorización (Scrambling) Proporcionan multiacceso asíncrono
Son secuencias pseudoaleatorias, muy similares a loscódigos ortogonales, pero, no son ortogonales: La correlación cruzada da valores pequeños (pero no 0) La autocorrelación es una delta (o casi)
Ventajas: Hay muchas y pueden servir como códigos expansores Sincronizan muy bien gracias a su alta correlación
Inconveniente: Al no ser ortogonales las interferencias no se anulan por
completo, queda un ‘pequeño’ residuo.21
Multiacceso CDMA
Exactamente, ¿qué obtenemos en recepción?
22
Interferencias externas, ruido térmico
Interferencias: despreciables al ser expandidas.R. Térmico: despreciable si hay suficientes usuarios
Residuos de señales vecinas
Por falta de ortogonalidadPoco residuo, pero si muchos usuarios Mucho residuo
Señal recuperada
Nivel muy superior al resto de señales
POLUCIÓN
Multiacceso CDMA
La polución depende de dos factores: La falta de ortogonalidad de las señales La potencia de transmisión empleada por cada usuario
Este segundo factor es MUY importante Un usuario cercano a la base llega con mucha más potencia,
por tanto genera más interferencia que uno lejano Efecto cerca-lejos (near-far)
Esto nos obliga a realizar control de potencia Hay que transmitir siempre con la mínima potencia necesaria Para interferir lo menos posible las señales de los demás
23
Respiración celular
La polución tiene un efecto secundario no deseado Debido al control de potencia
Al aumentar el número de usuarios… Aumenta la polución (disminuye la SNR de recepción) La estación base tiene problemas para escuchar a los UE Los UE deben incrementar su potencia para ser recibidos Si alcanzan su máximo Pierden la cobertura
En 3G la cobertura está relacionada con la capacidad Más capacidad Menos cobertura Problema típico en aglomeraciones (estadios, conciertos,
fiestas, …)
24
Planificación celular
¿Y qué pasa si tenemos varias células? ¿Se interfieren entre sí? ¿Necesitamos hacer planificación de frecuencias?
25
Podemos emplear frecuencia universal
Compatibilidad EM
CDMA tiene una ventaja adicional: Es electromagnéticamente compatible con el resto de
tecnologías
Podemos emplearla en una estación base que ya usaGSM (o LTE) por ejemplo. En la misma banda de frecuencias
26
ff
Lo que veGSM
SNRSNR
Lo que veUMTS
Técnicas de diversidad
En 3G se emplean varias técnicas para conseguirmejoras en la transmisión/recepción de la señal
Principalmente se emplea la diversidad: 2 Antenas para recepción 2 Antenas para transmisión
Al tener dos antenas separadas, si una no recibe bienla señal, probablemente la otra si lo haga. Combinando la señal de ambas tendremos mejor nivel
Adicionalmente, se aplican otras técnicas máselaboradas: Microdiversidad Macrodiversidad 27
Microdiversidad
Aprovechando la buena correlación de las señales debanda ancha empleadas, se usan receptores RAKE. Hay muy buena resolución temporal.
Un receptor RAKE saca provecho del multicamino: Al receptor llegan múltiples reflexiones de la misma señal Las 3-4 primeras reflexiones se alinean y combinan de forma
ponderada. Conseguimos mejorar notablemente la SNR.
Se emplea tanto en el UE como en el NodoB.
28
Macrodiversidad
La señal del UE puede alcanzar a varios Nodos B. Si el UE puede, se conecta a varios Nodos B. El UE indica:
Que Nodo B debe transmitir Info. para las 2 antenas de transmisión del Nodo B.
Hay varios Nodos B escuchando Podemos incrementar la SNR Sólo si los Nodos B, pertenecen al mismo RNC
Además, nos permite hacer Soft Handover: Traspasos con continuidad (suaves): no se pierde la conexión
en ningún momento. A cambio, gastamos más batería en el UE. Soft: traspaso entre distintos emplazamientos Softer: dentro del mismo emplazamiento 29
UTRANInterfaz de Acceso Radio
30
Interfaz de acceso radio
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network
Interfaz radio con multiacceso W-CDMA Tasa de Chips fija: 3840 kchips/s Emplea doble codificación:
Códigos ortogonales + pseudoaleatorios Códigos ortogonales: (expansores)
Cada estación base y cada usuario tiene un árbol OVSFcompleto
Enlace descendente: separan usuarios Enlace ascendente: separan servicios de un mismo usuario
Códigos pseudoaleatorios: Enlace descendente: identifican a la estación base Enlace ascendente: identifican al usuario En ambos casos, perfilan el espectro.
31
Interfaz de acceso radio
Se realiza traspaso con continuidad Solamente un RNC es el encargado del control del usuario SRNC: Serving RNC
Canalización: Se emplean canales de 5 MHz Dúplex posibles:
FDD: 2 portadoras simultaneas (5 MHz cada una) 1 Enlace ascendente 1 Enlace descendente
TDD: 1 única portadora Enlaces ascendente y descendente separados
temporalmente No lo han implementado las operadoras
32
Interfaz de acceso radio
Bandas de frecuencias: Inicialmente sólo la banda de 2 GHz Ahora también 900 MHz gracias a la neutralidad
Mejora notablemente la cobertura por la mayor penetración Está permitiendo llevar la banda ancha móvil al medio rural
Frecuencias obtenidas por el dividendo digital
33
DescendenteAscendente
Interfaz de acceso radio
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Circuitos
RNC
Paquetes
RNC
Uu
Iu
Iur
Iub
Iu-PSIu-CS
RNS
RNS: Radio Network SubsystemMGW: Media GatewayInterfaces ATM: Iu, Iub, Iur
Node B
UE
MGW
Estructura de canales
En UMTS los canales se emplean para comunicar alRNC con el UE
Hay tres tipos de canales: Canales lógicos: (RNC-UE)
Definen el tipo de información a transmitir. Datos de control, servicios (voz, video, …)
Canales de transporte: (RNC-UE) Definen cómo se debe transmitir la información de los canales
lógicos, es decir, como se empaquetan y/o multiplexan loscanales lógicos.
Hay canales comunes y dedicados. Canales físicos: (NodeB-UE)
Definen como se transmiten los canales de transporte por radio,esto es, qué códigos y frecuencias a emplear.
Hay canales comunes y dedicados.35
Canales lógicos
De control BCCH (Broadcast Control Channel, DL): información general
de configuración de la red PCH (Paging Channel, DL): para dar avisos a los UE CCCH (Common Control Channel, DL/UL): señalización
común DCCH (Dedicated Control Channel, DL/UL): señalización
dedicada
De tráfico DTCH (Dedicated Traffic Channel, DL y UL): información
dedicada para un UE CTCH (Common Traffic Channel, DL): información punto-
multipunto
36
Canales de transporte
Comunes RACH (Random Access Channel, UL) CPCH (Common Packet Channel, UL) BCH (Broadcasting Channel, DL) PCH (Paging Channel, DL) FACH (Forward Access Channel, DL) DSCH (Downlink Shared Channel, DL)
Dedicados DCH (Dedicated Channel, DL/UL)
37
Canales físicos
Asociados a los canales de transporte P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel):
transmite el canal BCH S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel):
transmite los canales FACH y PCH PRACH (Physical Random Access Channel): RACH PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): DSCH PCPCH (Physical Common Packet Channel): CPCH DPDCH (Deditated Physical Data Channel): DCH, parte de
tráfico DPCCH (Deditated Physical Control Channel): DCH, parte de
señalización (de nivel físico)
38
Canales físicos
No asociados a los canales de transporte CPICH (Common Pilot Channel)
SCH (Synchronization Channel): Primario: P-SCH Secundario: S-SCH
39
Correspondencias entre canales
40
BCCH PCCH DCCH CCCH CTCH DTCH
BCH PCH CPCH RACH FACH DSCH DCH
P-CCPCH
S-CCPCH PCPCH PRACH PDSCH DPDCH DPCCH
Canaleslógicos
Canales detransporte
Canalesfísicos
Canales físicos
En FDD están compuestos por: Frecuencia de la portadora a emplear Un código de canalización (ortogonal) Uno o más códigos de aleatorización En el enlace ascendente además hay que indicar el eje de
modulación (fase relativa): I o Q, ya que los códigos de aleatorización son complejos
En TDD: Frecuencia de la portadora a emplear Un código de canalización (ortogonal) Uno o más códigos de aleatorización Intervalos de tiempo
41
Canales físicos
La comunicación está dividida en intervalostemporales No se emplea para el multiacceso Se emplea como medida de sincronización
Estructura temporal: Trama: Duración 10 ms (38400 chips) Time Slots (TS): División en 15 intervalos (2560 chips)
Por cada trama puede cambiar: Tasa binaria Modo comprimido: si/no
Por cada intervalo (TS) puede cambiar: Control de potencia Informaciones periódicas
42
Canales físicos
43
Ejemplo: Canal DPCCH
Pila de protocolos
Plano de usuario: Capa 3, Nivel de enlace. (RLC, Radio Link Control)
Se asegura de que la transmisión sea fiable, retransmitiendoinformación si es necesario.
Capa 2. Control de Acceso al Medio (MAC) Encargado del acceso de los canales, multiplexión y
planificación según prioridad. Capa 1. Nivel físico
Medidas y control de la potencia.
Plano de control: Control de los recursos de radio (RRC)
Gestión de la conexión y la QoS Gestión de los recursos de radio (RRM)
Control de admisión de usuarios y traspasos
44
Pila de protocolos
45
Codificación de canal
Además de transmitir la información debemosasegurar que esta llega correctamente a su destino
Para ello es necesario aplicar técnicas de codificaciónde canal y/o corrección de errores Se emplean turbocódigos con tasas variables en función de la
calidad del canal A más calidad menos necesidad de redundancia
HARQ: Hybrid Automatic Request Se emplean códigos correctores y detectores En caso de detectar un error se solicita la retransmisión de
forma automática. En HSPA se exprime esta herramienta para conseguir mayor
tasa binaria46
Modo comprimido
En determinadas situaciones el UE necesita ciertotiempo libre aunque esté a medio de una llamada: Para medir la calidad de otras frecuencias
Ej: traspaso a GSM o a otra portadora UMTS. Para transmitir el informe sobre las medidas realizadas
¿Cómo se consigue ese tiempo libre? Eliminando bits transmitidos (puncturing) (huecos cortos)
Ya que tenemos un código corrector… Reduciendo el SF a la mitad (huecos largos)
Transmitimos al doble de velocidad Aumentamos la potencia al doble para compensar la SNR
Planificación: La estación base libera huecos en los canales necesarios para
que el UE los pueda usar.47
Núcleo de Red UMTS
48
VLR
Arquitectura de la red UMTS
49
MSC GMSC
Circuitos (CS)
SGSN GGSN
Paquetes (PS)
RNC
NodoB
NodoB
UTRAN3G
AuC EIR
HLR
Señalización SS7
Iu-PS
Iu-CS
SS7: Sistema de Señalización Nº7
Bases de datos del núcleo
HLR: Home Location Register Seguimiento de los clientes. Registro permanente y temporal.
VLR: Visitor Location Register Seguimiento de los clientes externos (roaming)
AuC: Authentication Centre Centro de autentificación
EIR: Equipment Identify Register Almacena el IMEI de los equipos usados. Lista Blanca: equipos OK Lista Negra: equipos perdidos/robados Lista Gris: equipos con problemas
50
Cambios en el núcleo de red GSM
El núcleo de red GSM debe modificarse para tener encuenta las novedades introducidas por UMTS.
Soportes para los nuevos interfaces Iu: SGSN: debe soportar el interfaz Iu-PS MSC: debe soportar el interfaz Iu-CS Si los equipos existentes no lo soportan, se puede intercalar
un adaptador.
Cambios en la red de señalización SS7 El protocolo MAP (Parte de Aplicaciones Móviles) cambia Esto obliga a cambios en el software de control
Otros cambios menores51
Calidad de Servicio (QoS)
En UMTS un UE puede mantener diversasconexiones simultáneas con diferentes QoS
La QoS se asegura a través de servicios portadores Hay cuatro clases de QoS
52
(BEARERS)
Calidad de Servicio (QoS)
Cada servicio portador es extremo a extremo La QoS se le asigna al portador Los datos enviados con ese portador tendrán esa QoS
Tanto la red de acceso radio como el núcleo de redintentan asegurar el nivel de QoS exigido
Principalmente se piden 2 parámetros que definen elnivel de QoS del portador: Tasas máxima y garantizada (kbps) Latencia máxima (ms)
53
Calidad de Servicio (QoS)
Aunque el portador es extremo a extremo estácompuesto por varios portadores
La red de acceso proporciona el portador RAB: Radio Access Bearer Simula un servicio fijo virtual, para alta QoS será necesario
reservar recursos de radio en previsión.
El núcleo de red proporciona el CNBS: Core Network Bearer Service Es mucho más estable (y sencillo de implementar) que RAB
54
Calidad de Servicio (QoS)
55
Evolución de UMTS
56
Evolución de UMTS
Los aspectos comentados hasta ahora son de laversión de UTMS inicial (Release 99)
Posteriormente a esta versión han ido apareciendosucesivas versiones que ha ido mejorando tanto elnúcleo de red como el interfaz de radio
Se tiende a eliminar progresivamente la conmutaciónde circuitos
Algunas de estas ‘mejoras’ no se han implementadotodavía y con toda seguridad nunca lo harán Otras puede que lo hagan en algún momento
57
Releases UMTS
Los aspectos comentados hasta ahora pertenecenprincipalmente a la versión inicial (Release 99)
58
• Separación en CN planos usuario / control• Primer paso hacia todo IP• QoS en UTRAN
Release 4 2001
• IMS (1ª fase), HSDPA• QoS en conmutación de paquetes• Red de acceso IP
Release 52002
• IMS (2ª fase) (push, mensajería, …)• HSUPA• Interfuncionamiento con WLAN
Release 62005
• HSPA+• Aparece LTE
Release 72007
Release 5
Aparece IMS (IP Multimedia Subsystem) Es una rama independiente del núcleo que se encargará del
envío eficiente de información multimedia a través de IP. Se basa en el protocolo SIP para el inicio de sesiones, y el
RTP para el envío de datos. Elemento principal: CSCF (Call Session Control Function)
Es un servidor SIP (de registro + proxy) Los operadores no han desplegado todavía su infraestructura
IMS pero no tardarán pues LTE se basa en ella
Aparece HSS (Home Subscriber Server) Engloba al HLR y al AuC, y parte de la info de IMS Se comparte entre la red de conmutación de paquetes e IMS
Primera aproximación a una red de acceso todo IP Esta opción no se implementará nunca 59
Release 5 - IMS
60
SGSN GGSNUTRAN
HSS
RTCMGW
CSCF
Internet
MGCF
SGW
HSS: Home Subscriber ServerCSCF: Call Session Control FunctionMGCF: Media Gateway Control FunctionMGW: Media GatewaySGW: Signaling Gateway IMS
Servidor SIP
Servidores de aplicaciones
Sesiones SIP
Release 5 - HSDPA
HSDPA: High Speed Downlink Packet Access
Mejora la interfaz para los servicios de paquetes: Tasa binaria máxima de bajada: 14,4 Mb/s
En la práctica 2-3 Mb/s Reducción de latencia: menos de 100 ms Mayor eficiencia:
Canal descendente compartido de alta capacidad Más usuarios por célula
Muchas de las mejoras se consiguen dando másinteligencia al Nodo B Scheduling rápido en Nodo B en lugar de en RNC Retransmisiones entre Nodo B y UE (H-ARQ)
61
Release 5 - HSDPA
Estructura temporal adicional: Subtrama: equivalente a 3 TS (2 ms) Permite un scheduling más ágil
Canal de transporte adicional: HS-DSCH: High Speed Downlink Shared Channel
Canales físicos adicionales (enlace descendente): HS-SCCH: High Speed Shared Control Channel HS-PDSCH: High Speed Downlink Shared Channel
62
Release 5 - HSDPA
63
2 ms
15 Códigos de SF 16 UEs(uno o más códigos
de canalización)
Los UE envían al Nodo B sus CQI (Channel Quality Indication).El Nodo B asigna códigos y slots a discreción, según los CQI y las necesidades de los UE (caudal según calidad).
HS-DSCH
Hasta ahora HARQ: (Hybrid Automatic Request) Se solicitan retransmisiones de las tramas erróneas
Ahora HARQ con combinación: No descartamos las tramas erróneas Las guardamos y combinamos con las retransmitidas Esto nos permitirá mejorar las posibilidades de recuperar la
información y/o minimizar la información a transmitir También se puede emplear para reducir la cantidad de
redundancia de la señal transmitida
Inconveniente: Al apoyarse en la retransmisión introduce unretardo variable.
Release 5 - HSDPA
64
Opción 1: Combinación chase Se retransmite la misma trama con todos los bits redundantes Se combinan la transmisión previa y la actual Se comprueba si todo ha ido bien Con cada retransmisión se consigue más potencia
Opción 2: Redundancia incremental Se retransmite la misma trama pero con menos bits
redundantes (puncturing) Se combinan la transmisión previa y la actual Se comprueba si todo ha ido bien, si no, se retransmite ‘otra
parte’ distinta. En el peor de los casos se transmiten todos los bits
redundantes otra vez.
Release 5 - HSDPA
65
Release 5 - HSDPA
Puede funcionar en la misma portadora que UMTS: Facilita su implantación Emplea únicamente la potencia sobrante de la estación Emplea 5 o 10 códigos ortogonales
Tasas máximas 3,6 Mb/s o 7,2 Mb/s respectivamente
Funciona mejor en una portadora aparte: Es necesario añadir un transceptor adicional En este caso emplea 15 códigos ortogonales
Tasa máxima 14,4 Mb/s
Limitaciones de HSDPA: No soporta soft handover No permite control de potencia
66
Release 6 - HSUPA
HSUPA: High Speed Uplink Packet Access En realidad su nombre es EUL (Enhanced Uplink)
Mejora la interfaz para los servicios de paquetes: Tasa binaria máxima de subida: 5,7 Mb/s
En la práctica 1 Mb/s Reducción de latencia: menos de 50 ms Mayor eficiencia:
Comparte la potencia del canal ascendente
Es necesario proporcionar más inteligencia al Nodo B Control de tasa de transferencia según potencia disponible Scheduling rápido (2 ms) Retransmisiones H-ARQ
67
Release 6 - HSUPA
Canal de transporte adicional: E-DCH: Enhanced Dedicated Channel
Canales físicos adicionales enlace ascendente: E-AGCH: Enhanced Absolute Grant Channel E-RGCH: E-DCH Relative Grant Channel E-HICH: E-DCH Hybrid ARQ Indicator Channel
El scheduler del Nodo B decide qué UE transmiten ycon qué velocidad En función de los datos de canal/potencia sobrante
transmitidos por los UE y de los recursos solicitados ‘Happy Bit’: Cada vez que el UE transmite le indica al nodo B
si solicita más recursos o no.68
Release 7 – HSPA+
Evolved HSPA
Introduce mejoras para conseguir: Caudales de hasta 21 Mb/s en DL y 11 Mb/s en UL. Menores latencias: 20 ms
Mecanismos usados: Modulaciones de orden superior (hasta 64 QAM) MIMO Trabajo con múltiples portadoras simultáneas …
69
Tema 5Redes de Acceso Inalámbricas
Parte III - LTESergio Bleda Pérez
Redes de Acceso Inalámbricas
1. Introducción2. Caracterización de canales móviles3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+
4. LTE Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (E-UTRAN) Núcleo de Red (EPC) Mejoras: LTE-Advanced
5. WiMAX 2
2
LTE
LTE: UMTS Long Term Evolution Evolución a largo plazo de UMTS
El término LTE aparece en la Release 7 de UMTS Las siglas se emplearon para definir qué hacer a partir de ese
momento, no era el nombre de ninguna tecnología nueva.
UMTS esta muriendo por culpa de su propio éxito El número de usuarios crece de forma alarmante (+polución)
Alarmante para la tecnología, no para las operadoras Los usuarios demandan cada vez más capacidad
HSPA+ se quedará corto en poco tiempo Necesario un giro hacia algo ‘mejor’ y de más capacidad
Obligatorio cambiar de tecnología3
Crear un marco para la evolución/migración de lossistemas del 3GPP (seguimos en 3G)
¿Qué se espera del nuevo sistema?
Objetivos de LTE
4
Más capacidad D 100 Mb/sU 50Mb/s
Menor latencia 10 ms
Todo IP
Accesos alternativos WiMAX, WLAN, etc…
EPS
Sistema de Paquetes Evolucionado Definido en la Release 8
Éste es en realidad el nombre del nuevo sistema Aunque comercialmente se usa LTE
EPS está compuesto por: E-UTRAN (Evolved UTRAN) como interfaz de acceso radio EPC (Evolved Packet Core) como núcleo de red
EPS – Evolved Packet System
5
Release 8• Definición
Release 9• Ampliación
Release 10• LTE-Advanced
4G3,9G
VLR
Simplificación de la Arquitectura UMTS
6
MSC GMSC
Circuitos (CS)
SGSN GGSN
Paquetes (PS)
RNC
NodoB
NodoB
UTRAN3G
AuC EIR
HLR
Señalización SS7
Iu-PS
Iu-CS
Arquitectura simplificada LTE
7
Característica principal:separación en dos planos,
Usuario y Control
S-GW: Serving Gateway (U)MME: Mobility Managemente Entity (C)
Tecnologías de Nivel Físico
8
Tecnologías de nivel físico
En LTE (y LTE-Advanced) se emplea como tecnologíabase OFDM Enlace descendente OFDMA Enlace ascendente SC-FDMA
SC-FDMA: Single Carrier FDMA Aunque no lo parezca es una variante de OFDM
¿Por qué OFDM? Es una modulación muy robusta frente al multitrayecto Permite compensar fácilmente la selectividad en frecuencia
del canal Facilidad de multiacceso
9
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales DMT, Discrete Multitone: Nombre usual en medios cableados
En lugar de emplear una única portadora paratransmitir la señal, emplearemos muchas En conjunto es una señal de banda ancha Pero cada subportadora tendrá un ancho de banda pequeño Esto nos permite aumentar el periodo de bit
Se relaja la ‘calidad’ necesaria del canal para transmitir
Todas las subportadoras son ortogonales entre sí Ortogonales No se interfieren entre sí
10
OFDM – Ortogonalidad
Ejemplo de subportadoras ortogonales
11
OFDM – Generación de Símbolos
Siendo R la tasa binaria y BW el ancho de banda, conOFDM se dividen en NSC subportadoras distintas: Cada subportadora tendrá:
Un símbolo OFDM está formado por la informacióncontenida por todas las subportadoras El período de Símbolo OFDM TS depende de BWSC, RSC Es decir, depende de: BW, R y NSC
Las subportadoras se modularán a su vez con algunamodulación en amplitud o fase (M-QAM, M-PSK, …) No se puede emplear FM se rompería la ortogonalidad
12
OFDM – Generación de Símbolos
Al tener muchas subportadoras, la generaciónconvencional es muy complicada Habría que modular por separado cada subportadora Cientos o miles de modulaciones independientes
En su lugar se emplea la FFT: Se generan los símbolos M-QAM / M-PSK correspondientes
(uno por subportadora) Cada símbolo se emplea como uno de los coeficientes de la
FFT (obviamente en frecuencia) Se realiza la transformada inversa IFFT Obtenemos la señal temporal correspondiente al Símbolo
OFDM Modulamos la señal temporal con la portadora del canal
13
OFDM – Generación de Símbolos
Ejemplo de señal OFDM temporal:
14
OFDM – Recepción
Realizamos el proceso inverso: Demodulamos con la portadora del canal, así obtenemos la
señal temporal en banda base Hacemos la FFT Obtenemos el espectro, es decir, los símbolos M-QAM / M-
PSK enviados
Esto es suponiendo que la transmisión es perfecta yno hay problemas en el envío… y siempre los hay
Aspectos que deberemos solucionar: El multitrayecto (el cual genera ISI) Selectividad en frecuencia del canal (FSF)
15
OFDM – ISI
¿Cómo lucha OFDM contra el multitrayecto? El multitrayecto genera ISI (interferencia entre símbolos) Se soluciona con el periodo de guarda (prefijo)
16
Símbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3
Símbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3Eco
TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3Tp
TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3TpEco
ISI
OFDM – ISI
¿Cuál debe ser la duración del periodo de guarda? La suficiente para evitar la ISI
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Ds
Respuesta al impulsodel canal
Ds: Dispersión de retardo
Debe cumplirse:
OFDM – ISI
El periodo de guarda se incluye en el propio símbolo Ahora tendremos tres periodos distintos:
Ts: Periodo de símbolo Tp: Periodo de guarda (prefijo) Tu: Periodo útil de símbolo
La separación en frecuencia de las portadoras seobtiene a partir del periodo útil
∆1
Hemos solucionado la ISI, pero… ¿y la interferenciaen el propio símbolo?
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Tp Tu
Ts
OFDM – Prefijo Cíclico
El periodo de guarda no se deja vacío, en él se copiael final del símbolo Aunque se podría dejar vacío (Zero Padding)
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OFDM – Prefijo Cíclico
El prefijo cíclico consigue que en recepción siemprese obtengan copias completas de los símbolos
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TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3Tp
TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3TpEco
Ventana de Recepción
La recepción de un símbolo se ve afectada sólo por versiones atenuadas y rotadas en fase de ese mismo símbolo.
¿Qué atenuaciones y cambios de fase? Los correspondientes a la respuesta al impulso del canal
OFDM – FSF
¿Cómo lucha OFDM contra la atenuación selectiva enfrecuencia? FSF: Frequency Selective Fading Es necesario estimar la respuesta al impulso del canal
Para estimar el canal se emplean subportadoras pilotode amplitud conocida Al recibirlas, las modificaciones que han sufrido son debidas
al canal Tenemos la IR del canal Es de suponer que las subportadoras cercanas a los pilotos
sufrirán el mismo canal Por tanto es posible compensar su efecto fácilmente
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OFDM – FSF
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f
f
Pilotos
Emisión
Recepción
Para compensar la FSF basta con multiplicar las componentes en frecuencia.Viene a ser lo mismo que un ecualizador.
OFDM
Inconvenientes de OFDM: La PAPR (Peak to Average Power Ratio) es muy elevada El Doppler modifica la separación entre portadoras rompiendo
así la ortogonalidad
La señal OFDM se crea en frecuencia sin ningunadificultad, pero si la trasladamos al tiempo… La señal temporal tiene en general un nivel relativamente
bajo, pero aparecen picos muy elevados de vez en cuando Esto es contraproducente:
Los amplificadores de RF deben limitar su potencia Si los hacemos funcionar a plena potencia saturarán cuando
aparezcan los picos Deben trabajar en Backoff Reduce la eficiencia y aumenta el
consumo
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OFDMA – Multiacceso OFDM
OFDMA OFDM Access Se usa en LTE en el enlace descendente
Lograr el multiacceso con OFDM es muy sencillo Basta con asignar las subportadoras por grupos a
diferentes usuarios La asignación puede ser dinámica (scheduling)
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SC-FDMA
SC-FDMA: Single Carrier FDMA
El nombre da a entender que emplea una únicaportadora En teoría si, pero en la práctica no es así Es una variante de OFDM
SC-FDMA se usa en LTE en el enlace ascendente OFDM tiene problemas de PAPR elevada Es más perjudicial en los UE al funcionar con baterías
Los amplificadores consumen más de lo necesario (backoff) Tienen que ser muy lineales para evitar problemas de
intermodulación (más caros) Con SC-FDMA se intenta paliar este problema
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SC-FDMA
Para reducir la PAPR se realiza una pre-codificaciónde los símbolos a transmitir De esta forma se consigue que las portadoras no se sumen
(tanto) en fase y se reducen los picos
La pre-codificación consiste en aplicar una DFT detamaño K K debe ser menor o igual al número de subportadoras NSC
Si K = NSC Single Carrier El resto de subportadoras (NSC-K) se mantienen a 0
Hay dos modos de transmisión: Localizado Distribuido
26
SC-FDMA
Localizado:
27Si K = N se anulan las transformadas Single Carrier
SC-FDMA
Distribuido: la señal está distribuida a lo largo de lassubportadoras
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SC-FDMA – Multiacceso
Se asignan bandas diferentes a cada usuario En LTE se emplea el modo localizado ya que es menos
sensible frente a errores en frecuencia
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Usuario 1
Usuario 2
Técnicas de Multiantenas: MIMO
En LTE se explota el uso simultáneo de múltiplesantenas tanto en transmisión como en recepción MIMO: Multiple Input Multiple Output
MIMO explota la diversidad espacial del canal móvil: Multiplexión espacial: Crear varios caminos independientes
por cada par de antenas (transmisión-recepción) Se consigue multiplicar la capacidad del canal por el número
de pares de antenas (idealmente)
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ReceptorTransmisor
Técnicas de Multiantenas: MIMO
Suponiendo que solamente hubiera una antena entransmisión y otra en recepción tendríamos:
31
ReceptorTransmisors(t) y(t)
,
,
Técnicas de Multiantenas: MIMO
Generalizando para MR antenas en recepción y MTantenas en transmisión:
32
, ,
ReceptorTransmisor
y1
y2
s1
s2
s3
ij
Técnicas de Multiantenas: MIMO
Generalizando para MR antenas en recepción y MTantenas en transmisión:
Esta ecuación se puede representar de formamatricial para que sea más compacta Para ello definimos H como:
33
Técnicas de Multiantenas: MIMO
La forma matricial queda:
Si tenemos en cuenta el ruido térmico recibido por lasantenas:
Si además tenemos en cuenta que el canal es plano,es decir, es más estrecho que el ancho de banda decoherencia del canal (Bc) Fácil de cumplir con OFDM
34
, ∗
, ∗
,
Técnicas de Multiantenas: MIMO
La forma matricial queda:
Obviando el término del ruido, si H fuera una matrizdiagonal… Cada una de las componentes de y(t) solo dependería de una
componente de s(t), tendríamos canales independientes
H no es una matriz diagonal y no podemos cambiarla H es el canal, no podemos modificarlo a voluntad Pero s(t) es la señal que enviamos y está multiplicando a H Si modificamos s(t) pude que consigamos que al multiplicarla
por H parezca que H sea diagonal
35
,
Técnicas de Multiantenas: MIMO
Esto se consigue haciendo una descomposición envalores singulares de H (en matlab svd):
∗
U: Matriz unitaria (MR,MR) Unitaria Determinante = 1
D: Matriz diagonal (MR,MT) D solamente tendrá L=min(MR,MT) valores no nulos en la
diagonal (son los valores singulares de H, las raíces nonegativas de los autovalores de H)
V: Matriz unitaria (MT,MT) V* es la traspuesta conjugada de V
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L: Grados de libertad
Técnicas de Multiantenas: MIMO
Aplicando la descomposición en valores singulares:∗
Al ser matrices unitarias, U y V cumplen que: ∗ (matriz identidad) ∗
Así, podemos deshacernos de ellas fácilmente
37
∗
∗ ∗
Matriz de Pre-codificaciónMatriz de Post-codificación
Técnicas de Multiantenas: MIMO
Esquema:
38
PrecodificaciónV
Transmisión
PostcodificaciónU*
y
Técnicas de Multiantenas: MIMO
Para hacer las pre/post-codificaciones es necesarioconocer el canal en ambos extremos La estación base envía pilotos Los UE estiman el canal H y se lo comunican a la base Los UE descomponen H para conseguir U*, la base para V Debe repetirse continuamente, el canal varía con el tiempo
Demasiada información que transmitir, por lo que seemplea una solución subóptima Tanto la estación como el móvil disponen de un conjunto de
matrices que representan los escenarios más comunes Se elige la matriz más parecida a la necesaria Solamente hace falta transmitir el nº de la matriz
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Técnicas de Multiantenas: MIMO
Condiciones necesarias para su buen funcionamiento: Que los diferentes canales físicos estén incorrelados
¿Cuándo sucede eso? Cuando el multitrayecto es muy influyente en la señal Si hay visión directa de la estación base hay muy pocas
posibilidades de que MIMO funcione bien
Nomenclarura en LTE: Antenas: antenas físicas de los equipos Puertos (de antenas): antenas empleadas para MIMO, por
ellas se transmiten las señales piloto para estimar el canal
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Técnicas de Multiantenas: MU MIMO
MU MIMO: Multiple User MIMO MIMO SU MIMO (Single User MIMO)
En este caso se usan las antenas de varios UE comosi todas pertenecieran al mismo sistema MIMO: Conseguimos un canal independiente para cada usuario LTE solo contempla una antena por UE (de momento)
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E-UTRANInterfaz de Acceso Radio
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Interfaz de acceso radio
E-UTRAN: Evolved UTRAN
Se ha simplificado la arquitectura UTRAN Pasa de arquitectura Jerárquica a Plana Solo hay eNB en la red de radio
eNB: Evolved Node B Ahora los nodos son inteligentes No es necesario usar controladores (RNC) Se reduce la latencia, necesario para el scheduling
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Interfaz de acceso radio
E-UTRAN: Evolved UTRAN
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Núcleo de Red (EPC)
Interfaz de Acceso Radio
S-GW: Serving Gateway (U)MME: Mobility Management Entity (C)
Interfaces empleados en E-UTRAN
S1: entre los eNB y el núcleo de red Dividido en dos subinterfaces:
S1-MME: para el plano de control S1-U: para el plano de usuario
Un eNB puede emplear varios S1 Esto permite balanceo de carga y tolerancia a fallos
X2: entre eNBs, es opcional y sirve para… Gestionar traspasos Intercambiar info sobre canales, usuarios, portadoras, etc…,
es útil para los schedulers y el MIMO
E-UTRAN Uu (o LTE Uu) Interfaz Aire (OFDM)
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Interfaz E-UTRAN Uu
Entre el eNB y los EU se pueden enviar tres tipos demensajes:
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(broadcast)
(Radio Bearer)
Interfaz S1-U
Se emplea para transmitir datos de usuario entre eleNB y el S-GW Está basado en UDP No proporciona garantías de entrega No tiene ni control de errores ni de flujo (QoS)
El servicio que proporciona se denomina: Portador S1 (S1 Bearer)
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Interfaz S1-MME (o S1-C)
Transmite datos de control entre el eNB y el S-MME Establecimiento, modificación y liberación de recursos tanto
de RB como de S1 Bearer (concatenados E-RAB) Traspasos (handovers) Avisos (de llamadas, Paging)
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Interfaz X2
Transmite datos de control entre eNBs No proporciona garantías de entrega No tiene ni control de errores ni de flujo
Funciones: Soporte de traspasos entre eNB Intercambio de información para mejorar la coordinación y así
maximizar la gestión de los recursos de radio
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Interfaz de acceso radio
En LTE no se realiza traspaso con continuidad
Modulación: E. Descendente: OFDMA E. Ascendente: SC-FDMA
Canalización: Se emplean canales de ancho variable 1,4 - 20 MHz Dúplex posibles:
FDD: 2 portadoras simultaneas TDD: 1 única portadora Half-FDD: 2 portadoras pero se emplean en tiempos alternados MBSFN: Multimedia Broadcast Single Frequency Network
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Estructura de la capa física
Unidad temporal de referencia: Ts = 0,0325 us Ts = 8 · Tchip de UMTS Esto permite compartir el reloj entre UMTS y LTE
Estructura temporal: Tramas (frames): TF = 10ms = 307200TS Subtramas (subframes): TSF=1ms = 30720TS
TTI: Transport Time Interval =TSF
Slots (Time Slots): TS=0,5ms = 15360TS
Hay dos tipos de tramas: Tipo 1 (FDD) Tipo 2 (TDD)
51
Estructura de la capa física
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Tipo 1: En FDD (full y half duplex)
Tipo 2: En TDD
Estructura de la capa física
Estructura en frecuencia: Subportadoras equiespaciadas 15 kHz Nº de subportadoras variable: NSC
Al ser el nº de subportadoras variable, no hay unancho de canal fijo definido
Anchos estándar (MHz): 1.4, 3, 5, 10, 15, 2053
f15
kHz0
DC
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Portadora del canal RF
(+1)
Estructura de la capa física
Separación de subportadoras: 15 kHz Aunque puede emplearse 7,5 kHz en caso de transmisión
coordinada entre varios eNB
Unidad mínima de asignación de recursos: Resource Block (RB): Bloque de Recursos o Radio Bloque Consiste en 12 subportadoras (24 si 7,5 kHz de separación) En total son 180 kHz de ancho en frecuencia Duración fija en 0,5 ms (1 Slot)
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RB
0,5 ms
180 kHz
Estructura de la capa física
Asignación de recursos:
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PRB: Physical RB
Estructura de la capa física
Cada Radio Bloque está a su vez compuesto porvarios Resource Elements RE: Pero la asignación es siempre a nivel de RB Un RE es una subportadora modulada con 4, 16 o 64 niveles
QPSK, 16-QAM y 64-QAM 2, 4 y 6 bits/símbolo respectivamente
En un Slot de tiempo caben varios símbolos (RE) : 6 o 7 símbolos (y uno especial de 3) Esto da lugar a 3 tipos de slots diferentes El caso normal de slot es el de 7 símbolos
Un RB contiene en su interior 84 RE 12 subportadoras x 7 símbolos/subportadora Serán 72 RE con 6 símbolos y 36 RE con 3 símbolos
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Estructura de la capa física
El uso de más o menos símbolos viene determinadopor el tamaño del prefijo cíclico La duración de los símbolos es siempre igual para mantener
la ortogonalidad
7 Símbolos con el prefijo cíclico normal
6 Símbolos con el prefijo cíclico largo Prefijo de mayor duración Es más robusto, se usa para asegurar la recepción con
peores condiciones de canal
3 Símbolos con el prefijo cíclico súper largo Se emplea en transmisiones de multidifusión 57
Capacidad
¿Qué capacidad podemos conseguir?
En 1 RB 84 RE 12 subportadoras 7 RE por subportadora, con prefijo cíclico normal
1 RE 6 bits, si empleamos 64QAM
84 6 504 /0,51 /
58
MHz 1,4 3 5 10 15 20
RBMb/s 6 15 25 50 75 100
Protocolos del interfaz radio
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Tipos de Canales
Canales Lógicos: Indican el tipo de información a transmitir
Canales de Transporte: Representan el formato en el que se envía la información
(Transport Blocks)
Canales Físicos Codificación OFDM de los canales de transporte
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Canales Lógicos
En LTE hay 7 canales lógicos: BCCH: Broadcast Control Channel PCCH: Paging Control Channel DCCH: Dedicated Control Channel CCCH: Common Control Channel MCCH: Multicast Control Channel DTCH: Dedicated Traffic Channel MTCH: Multicast Traffic Channel
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Canales de Transporte
En LTE hay 6 canales de transporte: BCH: Broadcast Channel PCH: Paging Channel DL-SCH: Downlink Shared Channel MCH: Multicast Channel UL-SCH: Uplink Shared Channel RACH: Random Access Channel
Los canales compartidos (SCH) transportan tantodatos de usuario como información de señalización
62
Canales Físicos
En LTE hay 9 canales físicos: PBCH: Physical Broadcast Channel PMCH: Physical Multicas Channel PDCCH: Physical Downlink Control Channel PDSCH: Physical Downlink Shared Channel PCFICH: Physical Control Format Indicator Channel PHICH: Physical Hybrid ARQ Indicator Channel PRACH: Physical Random Access Channel PUCCH: Physical Uplink Control Channel PUSCH: Physical Uplink Shared Channel
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Señales de Referencia: RS
Señales de referencia: Son los símbolos piloto
Se emplean para: Medir la calidad del canal descendente Estimar la IR del canal Ayudan en los mecanismos de búsqueda de celda y
sincronización inicial
Se necesita un mínimo de 2 RS pos cada RB Localizadas en unos RE determinados de su interior Deben estar separadas 6 subportadoras Si es necesario se pueden enviar 2 RS adicionales
(secundarias)64
Señales de Referencia: RS
Señales de referencia: RS
65
2 RB
Señales de Referencia: RS
Señales de referencia: RS – MIMO 2x2
66Las señales de referencia nunca se deben solapar
Señales de Referencia: RS
Al usar MIMO las señales de referencia de una antenaproducen huecos en las demás Esto reduce la capacidad Pero es necesario para no interferir en la estimación del canal
¿Qué información se envía en las señales RS paraestimar el canal? El estándar no indica el procedimiento a seguir Cada fabricante implementa su propio método
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Planificador (Scheduler)
Asignación inteligente de subportadoras: Se asignan las subportadoras que se reciben bien Gracias a la realimentación
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Planificador (Scheduler)
Además de las portadoras y el instante de tiempo,el planificador indica la MCS: MCS: Modulation and Coding Scheme
Además de asignar las portadoras adecuadas en cadamomento, también se indica que esquema de codificacióndebe emplear con el fin de adaptarse a las posibilidades delcanal
Es decir, también indica: Modulación: QPSK, 16QAM, 64QAM Tasa del código corrector: si hay un buen canal se puede reducir
la redundancia
El planificador es el elemento principal de LTE
69
Planificación celular
En LTE ¿es necesaria la planificación de frecuencias?
70
Planificación celular
En LTE ¿es necesaria la planificación de frecuencias?
Sí, porque al fin y al cabo estamos usando FDMA Dos células cercanas se interferirán si usan las mismas
frecuencias Esto produce que tengamos menor capacidad por célula
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Planificación celular
En LTE ¿es necesaria la planificación de frecuencias?
No, (o casi) porque la asignación es dinámica Los usuarios de los bordes de la célula, son susceptibles de
interferencia intercelular, el Scheduler le asignará unasportadoras que no usará la otra base
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Núcleo de Red EPC
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EPC: Evolved Packet Core
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EPC: Evolved Packet Core
MME: Mobility Management Entity Funciones de control
S-GW: Serving Gateway Datos de usuario
P-GW: Packet Data Network Gateway Pasarela al exterior de los datos de usuario
HSS: Home Subscriber Server Base de datos de usuarios
PCRF: Policy and Charging Rules Reglas de asignación de servicios portadores (QoS)
OCS y OFCS: Online/Offline Charging System Se encargan de controlas las reglas de tarificación
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MME: Mobility Management Entity
Funciones: Autentificación 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 estado idle (no tienen establecida una llamada)
Soporte de movilidad con redes previas UMTS y GSM
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S-GW: Serving Gateway
Funciones: Funciona de punto de anclaje para los datos del UE
Ya que este puede cambiar de eNB, el S-GW debe manetenerseinformado de donde se encuentra
Actualiza los portadores S1 cuando es necesario También se usa en la movilidad con redes previas (UMTS, GSM)
Almacén temporal de los datos de usuario (tramas IP) Si el UE está en modo idle necesita un tiempo de reacción
Encaminamiento de los datos de usuario Todos los datos son paquetes IP
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P-GW: PDN Gateway
Funciones: Aplicación de las reglas de uso de la red y control de la
tarificación
Asignación de direcciones IP Si el UE está en modo idle necesita un tiempo de reacción
Punto de anclaje para la interacción con redes no 3GPP WIFI, WiMAX, …
Funciones de inspección de paquetes IP Packet Screening (Similar a un Firewall)
Hacen la función de APN Access Point Network
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Configuraciones del núcleo
Los tres equipos principales del núcleo se puedenpresentar en cuatro configuraciones físicas distintas:
MME, S-GW, P-GW
MME y S-GW+P-GW Integración de pasarelas
MME+S-GW y P-GW Integración de los planos de usuario y de control
MME+S-GW+P-GW Integración todo en uno
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Conexiones PDN
Un UE tendrá asignada una IP única asignada
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Calidad de Servicio (QoS)
La QoS se asegura a través del portador EPS EPS Bearer Service
Un portador EPS es un servicio de transferencia depaquetes IP que tiene asignados unos parámetros decalidad Todos aquellos servicios asignados al portador tendrán el
nivel de QoS del portador Cada portador tendrá asignado un nivel de calidad QCI
(Quality Channel Indicator)
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Calidad de Servicio (QoS)
Valores estándar de QCI GBR: Guaranteed bitrate
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Calidad de Servicio (QoS)
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LTE-Advanced
84
LTE-Advanced
LTE-Advanced está definido en la Release 10 Oficialmente es la primera tecnología 4G del 3GPP
Como es normal es totalmente compatible con LTE Es compatible hacia atrás (backward compatible)
Mejoras sobre LTE introducidas: Agregación de portadoras Mejoras en las tecnologías de multiantenas Despliegues Jerárquicos CoMP: Transmisión multipunto coordinada Repetidores o Regeneradores
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Agregación de portadoras
Carrier Aggregation
Permite emplear más de una portadora de formasimultánea y coordinada Agregando portadoras (component carriers) puede llegar a
ocupar 100MHz de ancho de banda
Esta estrategia ya la emplea WIFI n En LTE es bastante más complicado conseguir esta
agregación Las capas 1 y 2 son independientes, la 3 es compartida
La agregación puede ser: Intrabanda: ej: 800 MHz Interbanda: ej: 800 MHz y 2600 MHz
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Tecnologías multiantenas
Se extiende la capacidad de MIMO
Enlace descendente hasta 8 antenas simultaneas
Enlace ascendente hasta 4 antenas simultaneas
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Despliegues Jerárquicos
En LTE ya se contempla la posibilidad de los desplieguesJerarquicos: Macroceldas Microceldas Femtoceldas
Aquí se ahonda en la interrelación entre bases dedistintos tamaños Los traspasos no siempre serán por el CQI del canal Las femtoceldas tienen menos capacidad, es relativamente
sencillo saturarlas Los traspasos deben tener en cuenta la capacidad, así como
aspectos de tarifas, permisos, etc…
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Transmisión multipunto coordinada
Si es posible, un UE se conectará a más de un eNB Esto permitire aumentar la tasa binaria para los equipos que
se encuentran en el borde de una célula Por defecto, los equipos en el borde solamente pueden usar
un nº reducido de subportadoras
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Repetidores o Regeneradores
LTE Relay Los repetidores producen una retransmisión regenerativa de
la señal Se podrán usar en lugares con problemas de cobertura
El eNB se comunica con el UE a través del repetidor En este caso el eNB se denomina ‘donante’
En el repetidor la señal LTE se decodifica, corrige yregenera Pueden funcionar en una banda distinta (outband) o en la
misma banda (inband) No necesitan conexión a la red al ser todo su operativo
inalámbrico
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Referencias
Publicaciones: [1] Comunicaciones Móviles, J. M. Hernando Rábanos, 2ª
Ed., Editorial Ramón Areces, 2004. [2] Tercera Generación en Comunicaciones Móviles, IMT-
2000 (UMTS), V. Murillo, L. de Haro, J. M. Hernando,Fundación Airtel Vodafone, 2001.
[3] LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles,R. Agustí Comes (Coord), Fundación Vodafone España,2010.
Normativas y Recomendaciones: ITU y 3GPP
Programas de simulación: Xirio-Online, www.xirio-online.com.
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