Sin título de diapositiva - Cátedra Telefónica Movistar

LTE: Long Term Evolution
Tema: Desarrollo, Evolución
y Aspectos Generales
EUIT de Telecomunicación
Campus Sur, UPM
Índice
 Evolución y Desarrollo Tecnológico de las Comunicaciones Móviles











1G – Sistemas Analógicos
2G – GSM
2.5G – GPRS
2.9G – EDGE
2.9G+ – GERAN Evolution
3G – UMTS (Release 99)
3.5G – HSDPA (Release 5)
3.6G – HSPA (Release 6)
3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8)
3.9G – LTE (Release 8 y 9)
4G – LTE-A (Release 10)
 Evolución de la Arquitectura
 Organizaciones de estandarización
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 1
1ª Generación – Sistemas Analógicos: Tecnología
 Primer sistema de telefonía móvil no celular:
1946, MTS, en EEUU (AT&T)
 Canal 120 KHz, FM, half duplex, 50 Km radio.
 1973: primera llamada móvil celular (Martin
Cooper, con un Motorola DynaTAC 8000X)
 En 1976 la CTNE lanza en España el TMA-450
para vehículos, basado en el estándar nórdico
NMT. Banda 450 MHz
 Cobertura muy buena (450 MHz)
 Terminales muy grandes y pesados
 En 1990 lanza el TMA-900, derivado del
sistema TACS, marca MoviLine (hasta 2003)
 FM, 25 KHz de ancho de canal, como NMT
 Cobertura menor (900 MHz)
 …pero mayor capacidad. Densificación de red:
 1991: 100.000 usuarios
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 2
1ª Generación – Sistemas Analógicos: Terminales
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 3
1ª Generación – Sistemas Analógicos: Pros & Cons
UL
DL
tiempo
tiempo
Código
 Reducción del ancho de banda
necesario (de 120 KHz a 25 KHz por
canal)
 Full duplex  requiere 2 canales
simultáneos, Downlink (Forward) y
Uplink (Reverse), solucionado con
FDD
 Sistema celular (anunciado como
“Total Area Coverage”)
DL – UL – DL …
Código
 Progresos sobre los sistemas
primitivos (MTS)
frecuencia
Modo TDD
frecuencia
Modo FDD
 Inconvenientes:
 Baja calidad (analógico, modulación
FM)
 Fácil interceptación (no cifrado)
 Baja eficiencia (1 usuario por
frecuencia, necesita 2x25 KHz)
 Planificación celular de frecuencias!
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 4
2ª Generación – Sistema Digital GSM: Tecnología
 1991: Primera llamada GSM (Finlandia, Nokia)
 Digital: mejor calidad de señal
 Cifrado (algoritmo A5/1, se sigue usando,
aunque está roto)
 Audio comprimido (códec FR)
 Canal 200 KHz, FDD
 Da servicio a 8 usuarios (con 2x200 KHz = 50
KHz por usuario (la mitad con Half Rate, HR)
 Frecuencia 900 MHz
 Tarjeta SIM, separa la “línea” del “terminal”
 Roaming internacional. ¡Estandarización!
 1995: lanzamiento en España de MoviStar, y
nuevo competidor: Airtel (ahora Vodafone)
 1998: Introducción de la banda de 1800 MHz
(DCS) y llega Amena (ahora Orange).
 Celdas aún más pequeñas.
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 5
2ª Generación – Sistema Digital GSM: Terminales
 1992: primer terminal comercial GSM (Nokia 1011, lanzado el 10-11-1992).
 Más grande y feo que el StarTAC analógico de Motorola, pero con mayor economía de escala.
 Todavía en 2013 siguen vendiéndose terminales GSM (sin GPRS)
Primer
3G
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 6
2ª Generación – Sistema Digital GSM: Pros & Cons
 Progresos sobre los sistemas analógicos




Calidad, eficiencia, cifrado, SIM, roaming.
Nuevo servicio: SMS (inicialmente pasó desapercibido, pero era gratuito)
Nuevos servicios: Servicios Suplementarios: desvíos, barrings, Call Hold, Waiting
Incluye servicios sobre circuitos (CS, Circuit Switched) de datos y fax (que tiene
aún en 2013 usuarios fieles entre las PYMEs).
 Inconvenientes:
 No aprovecha zonas de mejor SNR: rendimiento uniforme en toda la celda.
 No se puede navegar por la incipiente Internet  Se crea el WAP, que codifica
páginas sencillas en WML y podía utilizar como portador los SMS. i-mode (Japón)
 Conexión de datos muy lenta sobre CS, como módems de línea fija: 9.600 kbps.
 se estandariza el HSCSD, también datos sobre CS, pero permite:
 Reducir la tasa de FEC (Forward Error Correction) si buena SNR  14.400 bps (menor protección)
 Utilizar más de 1 time slot para el usuario: hasta 8 slots  8x14.4 = 115 kbps (no se llegó a desplegar)
 La conexión de datos no es nativa IP, para la red móvil no existe el mundo IP.
 El terminal móvil no es consciente de tener una dirección IP ni tiene la pila IP, sino que la
pila IP está implementada en el PC. El móvil solo establece una conexión de datos
contra un ISP, haciendo una llamada de datos al número de teléfono del ISP.
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 7
2.5G – GPRS: Tecnología (I)
 2001: lanzamiento del GPRS.
 Red IP nativa como parte de la red móvil.
 En realidad son dos redes paralelas, la red CS (Circuit Switched) y la red PS (Packet
Switched). La parte radio es común, sólo es necesario una core network nueva para PS.
 Requieren dos registros distintos (“Register” en CS y “Attach” en PS).
 El “Attach” no otorga una dirección IP, para eso es necesario un paso más, la activación
del contexto PDP.
 También existen dos pagings distintos, de CS y de PS. La red puede llamar a un número
de teléfono (CS) y a una dirección IP (PS).
 GPRS puede
llevar SMS’s
(poco usado)
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 8
2.5G – GPRS: Tecnología (II)
 GPRS incluye desde el principio las innovaciones del HSCSD:
 Posibilidad de utilizar varios timeslots de bajada y de subida (“3+2”, “4+2”…)
 4 niveles de “Coding Scheme” (CS) para aprovechar la buena SNR, reduciendo FEC.
Tasa binaria en función del Coding Scheme y número de slots:
 Se sombrean en amarillo las combinaciones más habituales.
Esquemas de codificación (Coding Schemes, CS), con 1 slot:
ESQUEMA
CS-1
CS-2
CS-3
CS-4
TASA_CODIF BITS_INFO BITS_BCS
1/2
181
aprox.2/3
268
aprox.3/4
312
1
428
BITS_USF
40
16
16
16
BITS_COLA
3
6
6
12
4
4
4
0
BITS_CODIF BITS_PUNCT TASA_(kbps)
456
0
9,050
588
132
13,400
676
220
15,600
456
0
21,400
Tabla según el número de slots empleados, en kbps:
ESQUEMA
CS-1
CS-2
CS-3
CS-4
1
9,050
13,400
15,600
21,400
2
18,100
26,800
31,200
42,800
TASA_BINARIA_(kbps) según el número de slots
3
4
5
6
27,150
36,200
45,250
54,300
40,200
53,600
67,000
80,400
46,800
62,400
78,000
93,600
64,200
85,600
107,000
128,400
LTE: Long Term Evolution
7
63,350
93,800
109,200
149,800
8
72,400
107,200
124,800
171,200
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 9
2.5G – GPRS: Terminales
 GPRS hizo posible la aparición de un mundo nuevo de terminales con
acceso IP (aunque ya había terminales con datos por CSD):

Módems para dar conectividad a PC’s en formatos varios (puerto serie, PCMCIA…)

Primeros teléfonos con GPRS (Ericsson R520m, Nokia 8310, Siemens S45) de 2001. Smartphones como las
primeras Blackberrys (5810), navegadores en color y las primeras pantallas táctiles (P800)
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 10
2.5G – GPRS: Pros & Cons
 Progresos sobre los sistemas GSM. GPRS hace posible nuevos servicios:




Navegadores en los teléfonos (no solo en el PC) WAP y Web
WAP Push (URL en SMS)
El MMS, la mensajería multimedia, que a su vez invita a integrar cámaras en los móviles
Apps. IP nativas: email, noticias, RSS…
 Inconvenientes:
 Baja eficiencia espectral.
 No aprovecha mucho las zonas de mejor SNR: aunque GPRS añade los Coding
Schemes, la modulación es GMSK, la misma que GSM, con 1 bit por símbolo.
 La velocidad binaria, incluso utilizando todos los slots (en teoría 8, pero en la
práctica suele ser 4) es ≈ 50 kbps, similar a un módem de 56K de la RTB.
 Suficiente para descargar pequeños volúmenes de datos, pero impráctico para trabajar
con un PC con una aplicación conectada.
 Solo BlackBerry, con su inteligente optimización del tráfico, consiguió hacer práctico el
“email en el móvil” (descarga de emails “KB por KB” bajo demanda, infraestructura de proxy de RIM, compresión de datos…)
 Con GPRS, los clientes empiezan a percibir (y sufrir) la congestión de la red: con
la red congestionada, se le asignan menos slots. Esto irá a peor…
 Surge la necesidad de discriminar favorablemente a ciertos usuarios: el concepto de
“Calidad de Servicio” (QoS) se incluirá en la estandarización del 3G.
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 11
2.9G – EDGE: Tecnología y Terminales
 2003: lanzamiento del EDGE (Cingular, ahora AT&T, con el
Nokia 6200)
 En lugar de usar la modulación de GSM (GMSK, 1 bit por
símbolo), usa 8-PSK, con 3 bits por símbolo.
 Esto permite triplicar la tasa binaria (máx teórico de 473.6 Kbps
con 8 slots)
 Solo es utilizable en parte de la célula (como los Coding Schemes
de GPRS)
 Lanzamientos de EDGE:
 Algunos operadores lanzan EDGE en paralelo con el lanzamiento
de 3G, como Telecom Italia (con considerables complicaciones
debido a la inestabilidad de ambas tecnologías nuevas).
 Otros países, (ES, UK…) lanzan 3G y el EDGE parece ya
innecesario. El detonante para el despliegue en muchos países es
el lanzamiento del iPhone 2G (que soporta EDGE), y que con
“solo GPRS” aporta una experiencia de usuario muy frustrante
(por la lentitud de la conexión).
 EDGE se puede aplicar a GPRS y HSCSD:
 GPRS con 8-PSK se denomina EGPRS
 HSCSD con 8-PSK se denomina ECSD (no utilizado)
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 12
2.9G – EDGE: Tecnología (II)
 Modulation and Coding Schemes (MCS) de
EDGE:
MCS
Bit Rate
(kbit/s/slot)
Modulación
MCS-1
8.80
GMSK
MCS-2
11.2
GMSK
MCS-3
14.8
GMSK
MCS-4
17.6
GMSK
MCS-5
22.4
8-PSK
MCS-6
29.6
8-PSK
MCS-7
44.8
8-PSK
MCS-8
54.4
8-PSK
MCS-9
59.2
8-PSK
 8 x 59.8 = 473.6 Kbps. En realidad ≈ 150 kbps
 EDGE fue admitido como miembro de la familia
IMT-2000 de la ITU, por lo que oficialmente
puede ser considerado un sistema “3G”.
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 13
2.9G – EDGE: Tecnología (III)
 EDGE añade una nueva
optimización al GPRS: la
redundancia incremental
(Incremental Redundancy, IR):
 Cuando un bloque de datos se
transmite y llega erróneo (CRC
error), se pide la retransmisión
(ARQ) pero no se descarta la
copia recibida, sino que se
combina con las sucesivas
retransmisiones recibidas.
 Esto aumenta la probabilidad
de descodificar correctamente
el bloque retransmitiendo el
número mínimo de bits.
 Sin embargo, requiere más:
 procesado (CPU)
 buffer de memoria
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 14
2.9G – EDGE: Pros & Cons
 Progresos sobre los sistemas GPRS:
 EDGE hace el GPRS realmente utilizable para trabajar. Lento, pero utilizable.
 Ventajas: el despliegue es fácil: solo cambia la modulación y el software.
 En algunas BTS’s, la modulación se implementa por software y era solo un upgrade SW.
 En España y UK, donde se desplegó de forma tardía (2007) y ya estaba muy estable, no
dio casi ningún problema y se hizo prácticamente de un día para otro (en las BTS donde
solo era cambio SW).
 Inconvenientes:
 EDGE es solo una mejora para la tasa de datos, pero no para la voz.
 La eficiencia espectral de la voz sigue igual que en GSM
 Con EDGE, los clientes empiezan a captar una realidad que irá agravándose con
las siguientes tecnologías: la “desigualdad” dentro de la celda.
 No todos los sitios son iguales, en unos sitio con mejor cobertura se consiguen tasas
binarias mejores que en otros (en función del MCS): 6,7 veces mayor (MCS-9/MCS-1).
 Con GPRS, este “ratio de desigualdad” era de 21.400/9.050 = 2,36 veces.
 Con datos CS, este ratio era de 14.400/9.600 = 1,5 veces.
 La latencia es elevada para ciertas aplicaciones de datos interactivas (juegos…).
 El Transmission Time Interval (TTI) de EDGE, como en GSM/GPRS, es 20 ms.
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 15
2.9G+ – GERAN Evolution: Tecnología
 2013: El grupo GERAN del 3GPP sigue desarrollando mejoras a las
tecnologías 2G, en general importando a 2G tecnologías presentes en 3G:
 Evolved EDGE:
 Reducción de la latencia, reduciendo el TTI (Transmission Time Interval) de 20 a 10 ms.
 Introducción de modulaciones de orden mayor (HOM, Higher Order Modulations): 16
QAM, 32 QAM
 Downlink Dual Carrier: combinación de dos portadoras en el enlace descendente:
duplica la tasa binaria
 VAMOS (Voice services over Adaptive Multi-user Orthogonal Sub channels):
 Permite duplicar la capacidad de voz de la red 2G, transmitiendo y recibiendo la señal de
2 usuarios simultáneamente (en el mismo timeslot y misma frecuencia), diferenciándolos
por la fase (ejes I y Q).
 Requiere receptores avanzados en los terminales, pero por suerte más del 50% de los
terminales GSM actuales (sin VAMOS) tienen receptores SAIC/DARP, suficientemente
avanzados como para funcionar con VAMOS.
 Debido a la congestión de las redes 2G, sobre todo en algunos países con poco
espectro, y la presión creciente de los datos, VAMOS resulta atractivo para varios
operadores y es probable que se acabe desplegando.
 VAMOS se aplica a slots FR y HR:
 VAMOS+HR = 4 usuarios/slot
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 16
3G – UMTS: Historia (I)
 La iniciativa IMT-2000 (International Mobile Telecommunications System –
2000) de la ITU definió qué condiciones debían cumplir las tecnologías
candidatas a ser la tecnología global de tercera generación, “3G”:





Integración de todas las redes existentes
Comunicaciones personalizadas
Cualquier servicio, a cualquier persona, en cualquier lugar y en todo momento
Para conseguirlo sería necesario contar con un acceso radio avanzado
Amplia gama de:
 Servicios
 Velocidades binarias
 Alta calidad
 Se presentaron 5 tecnologías candidatas y finalmente la ITU no se
decantó por ninguna de ellas (hubiera sido conflictivo), sino que
redefinió IMT-2000 como una “familia de estándares”.
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 17
3G – UMTS: Historia (II)
 La “familia de estándares IMT-2000”:
*
De estos 5 estándares, 2 estaban
propuestos por el “3rd Generation
Partnership Project” que aglutinaba
organismos de estandarización, empresas y
operadores de USA (T1P1), EU (ETSI),
Japón (ARIB y TTC), Corea (TTA) y China
(CWTS).
Nombre ITU
IMT-DS
IMT-MC
IMT-TC
IMT-SC
IMT-FT
Conocido por:
(UE/Japón)
UTRA FDD
(UMTS/WCDMA)
cdma2000
Estándar de:
UTRA TDD
(UMTS/TD-SCDMA)
UWC-136
EDGE
DECT (teléfonos
inalámbricos)
3GPP (*)
3GPP (*)
3GPP2 (USA)
UWCC (USA)
Proy. DECT de
ETSI (EU)
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 18
3G – UMTS: Tecnología (I)
 El 03-03-03, el operador “3” lanzó en UK la primera red
3G (sin terminales, por cumplir la fecha).
 Telefónica lanza en octubre de 2003 un piloto para
grandes empresas y servicio comercial en 2004,
inicialmente solo con tarjetas de datos, la PCMCIA
Novatel Merlin U530 (chipset de Qualcomm).
 Ancho de banda de 5 MHz (25 veces más que 2G) para
alcanzar altas velocidades binarias.
 UMTS Release 99, llegaba teóricamente a 2 Mbps DL y 384
Kbps UL, pero los terminales R99 nunca pasaron de 384/384.
 Los primeros modelos soportaban 384 DL y 64/128 UL.
 Banda de 2100 MHz (banda 1), modo FDD
 Cobertura peor que el GSM 1800, pero penetración en
edificios mucho peor. Mala cobertura en interiores hasta la
llegada del UMTS 900 en 2010.
 Tecnología WCDMA, de “espectro ensanchado”, turbo
códigos, enorme flexibilidad de la capa física…
 Impresión generalizada de “tecnología muy compleja”, un
salto enorme respecto a 2G.
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 19
3G – UMTS: Tecnología (II)
 “Radio revolucionaria, núcleo de red evolucionario”.
 Radio:
 Modulación QPSK: 2 bits por símbolo en lugar de 1 como GSM/GPRS.
 TTI variable, de 10, 20, 40 u 80 ms. (en GSM era de 20). Reducción de latencia.
 CDMA: Code Division Multiple Access. Los usuarios comparten tiempo y
frecuencia, y se diferencian por su código. El código es una señal SF veces más
rápida que la de datos que ensancha el espectro SF veces (Spreading Factor).
 CDMA se había utilizado ya en la 2G americana, el IS-95. Liderado por Qualcomm
(empresa fundada por ………………..., el inventor de ………………………).
 En 3G, se ensancha en 2 fases: canalización y scrambling. Árbol de códigos de canaliz:
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 20
3G – UMTS: Tecnología (III)
 Radio (continuación):
 Codificación Turbo (nuevo tipo de codificación FEC)
 Descubierta pocos años antes de la estandarización, algunos no se llegaban a creer
que funcionara porque se acercaba demasiado al límite de Shannon.
 Descodificadores iterativos muy complejos, requerían muchísima CPU y no se usaban
para voz.
 Soft handover:
 se despliega la red son una sola frecuencia. Desaparece el problema de la planificación
celular y el reutilización de frecuencias: es 1:1.
 “Wideband”: 5 MHz se consideraba “wide” para ofrecer altas tasas binarias.
 A cada operador le correspondieron 15 MHz, por lo que desplegar la red inicial con una
portadora supone ya emplear un tercio de la capacidad total. (esquema: freqs. de TEF)
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 21
3G – UMTS: Tecnología (III) y Servicios
 Núcleo de red “evolucionario”:
 Para la red CS (Circuitos: voz, SMS y videollamadas) utiliza los mismos nodos
que GSM: MSC’s y GMSC’s
 Para la red PS (Paquetes: datos) utiliza la misma red GPRS: SGSN’s y GGSN’s.
 Servicios nuevos:
 La videollamada, nuevo servicio CS. “La gran esperanza” de los operadores.
 Servicio de videotelefonía sobre un canal de circuitos de 64 Kbps simétrico, síncrono, y
transparente. Video comprimido en H.263 por requisitos de CPU (no daban para H.264)
 Diferenciador 3G. Anuncio campaña de Navidad con LG U8150, “Llega la videollamada”
 Los datos a gran velocidad.
 384 Kbps DL / 128 Kbps UL permitían trabajar bien. La “oficina móvil” se hace realidad,
para PC’s con tarjetas PCMCIA. Tráfico de PC’s era el 98% del tráfico de datos total.
 Sin embargo, para teléfonos, durante años se busca la “killer application” que atraiga a
los clientes al 3G (para descongestionar la red 2G y rentabilizar 3G, pero los terminales
son más caros y la batería les dura mucho menos por la complejidad del procesado 3G)
 El Email es la killer application para los teléfonos durante años, ya que la navegación por
Internet en las pantallas pequeñas era muy difícil, los navegadores no soportaban todo. El WAP
sirvió como sustituto en algunos casos.
 Las “Apps” ofrecen una forma de acceder a información concreta sin tener que navegar, son,
por fin, la “killer application”.
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 22
3G – UMTS: Terminales
 Primeras tarjetas PCMCIA en España: Novatel U530, U630, Option
Globetrotter
 Primeros terminales: Motorola A835, Nokia 6650, Samsung Z100, Sony
Ericsson Z1010, LG U8150. Primer experimento iPhone: Nokia 7600.
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Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 23
3G – UMTS Release 99: Pros & Cons
 Progresos sobre los sistemas EDGE:
 El ancho de banda 25 veces mayor abría la puerta a tasas binarias muy
altas, eliminando la limitación de la banda estrecha de 2G.
 Inmensa flexibilidad, nuevos servicios por inventar (streaming…)
 Terminales con capacidades que se acercan a los ordenadores
 Inconvenientes:
 Complejidad  CPU mucho más potente. Precio, calentamiento, batería.
 2100 MHz: Mala penetración en interiores. HO 3G  2G indispensable.
 384 Kbps DL decepcionante para tener 25 veces más ancho de banda!
 Cabría esperar 25 x 473,6 Kbps (EDGE) = 11,84 Mbps
 La “desigualdad” dentro de la celda similar a EDGE: 384/64 Kbps= 6 veces
 Fracaso de la videollamada (factores técnicos –calidad– y de usabilidad)
 No hay un modo de paquetes en la interfaz aire:
 las conexiones PS en el aire van por canales dedicados CS. ¡Muy ineficiente!
 No incorpora alguna mejora de EDGE, como la Redundancia Incremental
y la modulación con 3 bits/símbolo.
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 24
3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (I)
 2006: se lanza HSDPA (High Speed Downlink Packet
Access) en muchos países. El primero, el Samsung SCHW200 en Corea.
 Se crea un canal de transporte que puede llevar 15/16 del
tráfico de la celda!! (el HS-DSCH).
 Además, utiliza toda la potencia no utilizada por otros canales,
hasta alcanzar la máxima potencia utilizable por la estación base.
 Ese canal se reparte entre distintos usuarios en el dominio del
tiempo, por slots temporales.
i1
 Modulación 16QAM: 4 bits/símbolo (supera a EDGE)
 HARQ (ARQ Híbrido) (IR como EDGE, muy flexible)
 AMC: Adaptive Modulation and Coding: similar a los MCS de
EDGE, pero de granularidad más fina.
1001
1010
1000
0.3162
q2
 HSDPA ya no es puro CDMA, introduce TDMA
i2
1011
0.9487
i2
0001
0011
0000
0010
0.3162
0.9487
1110
1100
0100
0110
1111
1101
0101
0111
q1
q2
 En EDGE había 9 MCS’s, en HSDPA hay 30 CQI’s.
 Tan adaptado que no hay control de potencia
 TTI se reduce a 2 ms: 10 veces menos que 2G.
 Importante reducción de latencia. Round Trip Time disminuye de
200 ms con UMTS a 100 ms con HSDPA.
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 25
3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (II)
 Un canal HS-DSCH a “repartir” en slots entre todos los UEs de la celda:
 No tiene soft handover. Solo hay 1 “serving cell”. Los canales R99 sí tienen SHO.
 Scheduling: cada TTI
se asigna al UE con
mejor calidad (CQI),
o por igualdad de tiempo
…
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 26
3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (III)
 Modulación y Codificación Adaptativa (AMC) en función del CQI
 30 niveles,
además
ponderados por
la categoría
del terminal.
 Enorme
diferencia de
tasa binaria
Entre CQI = 0
y CQI = 30.
 Las variaciones
de CQI (línea
marrón) son
paralelas a los
desvanecimientos
del canal
(línea verde):
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 27
3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (IV)
 Categorías de terminales: 12 categorías, según diferentes capacidades de
procesamiento y memoria:
 Número máximo de códigos SF=16 soportados simultáneamente
 Memoria del buffer HARQ
 Modulaciones soportadas (QPSK y 16 QAM)
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 28
3.5G – HSDPA (Release 5): Pros & Cons
 Progresos sobre los sistemas UMTS R99:
 Tasa binaria de hasta 14 Mbps (con terminal categoría 10)
 Los primeros comercializados eran de 1.8 Mbps. Cat. 10 llegó ≈ 2009.
 En la práctica, los usuarios alcanzan entre 1 y 3 Mbps: muy satisfactorio.
 La disminución del RTT (Round Trip Time) reduce la latencia.
 Inconvenientes:
 Muchos usuarios y en general el mercado están engañados: creen que
la red da 14 Mbps por usuario (como el ADSL da 10 Mbps por usuario),
cuando en realidad es “a compartir” entre todos los usuarios de la celda.
 A medida que aumenta el número de usuarios de HSDPA, se reduce la tasa
binaria que disfruta cada uno.
 Pero no se puede hacer más: la celda está ya transmitiendo a máxima
potencia y dándole a solo un usuario toda la capacidad disponible!
 El bitrate del UL no mejora nada con HSDPA. Sigue usando canales
dedicados R99 de 64, 128 y 384 Kbps.
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 29
3.6G – HSPA (Release 6): Tecnología (I) y terminales
 2007: se presenta en el MWC de Barcelona el primer
terminal HSUPA (el módem USB de Huawei, E270)
 2008: llega a Corea el primer teléfono HSUPA (Samsung
SCH-M470)




Al HSDPA se suma el HSUPA para el Uplink
HSPA = HSDPA + HSUPA (HSUPA = Enhanced UL, EUL)
Alcanza hasta 5.7 Mbps en el UL
No utiliza un canal único, como HSDPA, sino canales
dedicados (como R99) pero de alta potencia y tasa binaria
(“E-DCH”), coordinados por el Nodo B.
 Es un TDMA porque el Nodo B va dando acceso (access
grants) a unos terminales y luego a otros, pero no a todos a
la vez (no está especificado a cuántos!).
 El scheduler del Nodo B es propietario, no estandarizado. Solo
se estandarizan los grants y los formatos E-TFC.
 Utiliza H-ARQ, como HSDPA, y TTI de 10 ó 2 ms.
 No utiliza 16 QAM, sino sigue con QPSK (no linealidad de
los amplificadores del móvil)
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 30
3.6G – HSPA (Release 6): Tecnología (II)
 Existen 6 categorías de UE: Diferentes capacidades de procesamiento y memoria




Número máximo de canales E-DPDCH soportados simultáneamente
Ganancia de procesado mínima (2, 4)
Soporte de 2 ms de TTI
Tamaño máximo de bloque
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 31
3.6G – HSPA (Release 6): Tecnología (III)
 La selección de formato (E-TFC) está condicionada por los access grants:
 Mecanismo de adaptación del bitrate a los recursos disponibles
 Los access grants del Nodo B indican el UE el formato a emplear
 Análogo a la selección del TFC (Transport Format Combination) de R99, pero
más flexible: número de formatos posibles muy superior
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 32
3.6G – HSPA (Release 6): Pros & Cons
 Progresos sobre los sistemas HSDPA:
 Tasa binaria en UL de hasta 5,76 Mbps (con terminal categoría 6)
 Los primeros comercializados eran de 2 Mbps. Cat. 6 llegó en 2008.
 En la práctica, los usuarios alcanzan cerca de 1 Mbps: muy satisfactorio.
 Con HSUPA se completa el modo de paquetes (UL y DL) de 3G.
 Inconvenientes:
 Muchos usuarios y en general el mercado están engañados: creen que la red da
5,76 Mbps por usuario (simultáneo con otros a la misma velocidad), cuando en
realidad hay que estar solo en la celda para conseguir esa tasa.
 A medida que aumenta el número de usuarios de HSPA en la celda, se reduce la tasa
binaria que disfruta cada uno, tanto en UL como en DL.
 A partir de ahora, la tecnología entra en una carrera buscando que la tasa binaria de pico
crezca, perseguida por el aumento del número de usuarios y su demanda de datos.
 La explosión de los smartphones crea nuevos problemas:
 La multitud de Apps en los smartphones y las numerosas conexiones hacen que la
batería dure cada vez menos. Es urgente inventar estrategias que ahorren batt.
 Con el elevado número de usuarios conectados simultáneamente a la celda, los canales
dedicados de control de HSPA consumen un número de códigos.
 Las frecuentes conexiones y cambios de estado para recibir unos pocos bytes generan
mucha más señalización que los datos en sí. “Tormentas de señalización”
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 33
3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Tecnología (I)
 2009: se lanza en España HSPA+ a 21 Mbps DL.
 Introduce la modulación 64 QAM, con 6 bits por
símbolo.
 Mejora del 50% respecto a 16 QAM, de 4 bits por
símbolo, que alcanzaba 14 Mbps: 14 + 7 = 21.
 La modulación 64 QAM solo puede utilizarse en
zonas con SNR excelente (puntos muy cercanos en la
constelación): área muy reducida de la celda.
 2010: lanzamiento del HSPA+ a 42 Mbps DL (Dual
Carrier) (Release 8)
 Introduce la coordinación de dos frecuencias
adyacentes, cada una de 5 MHz de ancho de banda:
utilizando un total de 10 MHz, duplica los 21 Mbps.
 Esta mejora beneficia a toda la superficie de la celda,
ya que duplica la tasa binaria. Incluso en el borde de
celda, p.ej, de 100 Kbps a 200 Kbps.
 Realmente no duplica la capacidad porque la otra
frecuencia ya estaba cargada, pero consigue una
cierta mejora por la multiplexación estadística.
LTE: Long Term Evolution
UL
5MHz
DL
PSC
DL
SSC
10MHz
PSC – Primary Serving Cell
SSC – Secondary Serving Cell
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 34
3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Tecnología (II)
 Hacia 2009, Apple inventa el “Fast Dormancy” para ahorrar batería.
 Todos los fabricantes siguen estrategias similares, generando grandes tormentas
de señalización en las redes (solo por cambios de estado).
 Se estandariza el “Fast Dormancy Release 8”, actualmente desplegado en
muchas redes.
 En los terminales con 64 QAM, casi todos los fabricantes incluyen
receptores avanzados, “Type 3i”:
 Type 3i: con ecualizador, diversidad de recepción (2 antenas) y cancelación de
interferencia celda vecina
 Otras mejoras de R7, R8 y posteriores no lanzadas aún:
 E-FDPCH: para utilizar 1 solo código para servir de canal de control a 10 usuarios
HSPA (ahorro de códigos).
 CPC: para reducción de batería durante la conexión activa.
 MIMO 2x2: no se lanza en 3G por las necesidades de modificar el hardware y
antenas de las estaciones base.
 HS-FACH, HS-RACH: uso de HSDPA y HSUPA en estado Cell_FACH
 UL 16 QAM: alcanza 11 Mbps, duplica la tasa con respecto a QPSK
 DC-HSUPA: duplica también la tasa, a 11 Mbps, empleando dos frecuencias
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 35
3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Pros & Cons (I)
 Progresos sobre los sistemas HSPA:
 Tecnología cada vez más optimizada, exprimiendo al máximo las posibilidades del 3G.
 Inconvenientes:
 Todas las optimizaciones (excepto los Dual Cell) se aprovechan en una parte pequeña de la
celda o en casos que representan una parte pequeña del tiempo.
Peak Rates
Layer 1 TCP/IP
42Mbps
CQI vs. Throughput
HSPA+ Peak Data Rates <0.5% cell area
35Mbps
Dual Carrier (10Mhz)
Single User Throughput
MIMO
28Mbps
23.5Mbps
64QAM 10-15 codes
16 QAM 5-10 codes
21Mbps
17.6Mbps
16 QAM 5 codes
QPSK 1 to 5 codes
14Mbps
11.7Mbps
7.2Mbps
6Mbps
3.6Mbps
3Mbps
1.8Mbps
1.5Mbps
0.00%
LTE: Long Term Evolution
9.8%
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 36
80%
21%
% Cell Area
100.00%
3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Pros & Cons (I)
 Inconvenientes (cont.):
 El impacto de las optimizaciones (tales como 64 QAM) sobre la tasa media servida por la
celda es pequeño, ya que hay muchos usuarios que no pueden beneficiarse de la tasa alta.
 Ejemplo: de 10 usuarios en la celda, cada uno ocupa 1/10 del tiempo del HS-DSCH. Uno de ellos tiene
muy buena SNR y descarga a 21 Mbps, dos de ellos a 6 Mbps, y los otros siete a 1 Mbps. La celda en
conjunto no está entregando datos a 21 Mbps: la media es mucho menor: 4 Mbps.
Mbps
Peak rate achieved over
two carriers in downlink
45.0
45.0
40.0
40.0
35.0
35.0
Theoretical
PeakData
DataRate
RateininDownlink
Downlink
(
Theoretical Peak
(Mbit/s)
Mbit/s )
Average Cell
CellThroughput
Throughput
Downlink
(
Mbit/s (Mbit/s*)
)*
Average
in in
Downlink
in 5MHz
bandwidth
30.0
30.0
25.0
25.0
20.0
20.0
15.0
15.0
10.0
10.0
5.0
5.0
0.0
0.0
QPSK
QPSK
5
5 codes
QPSK
16QAM
16QAM
5
5 codes
codes
codes
16QAM
16QAM
16QAM
16QAM
10 codes
16QAM
16QAM
16QAM
15 codes
LTE: Long Term Evolution
10
codes
15 codes
HSPA
64QAM
64
QAM
64QAM
MIMO
MIMO
2x2
Dual-Cell+
64QAM
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 37
HSPA+
MIMO2x2
3.9G – LTE (Release 8 y 9): Tecnología (I)
 Diciembre de 2009: TeliaSonera lanza en Estocolmo
la primera red LTE (modem USB Samsung GT-B3710,
solo LTE).
 Los principales requisitos de LTE son:
 Tasa binaria de pico (con 20 MHz de ancho de banda):
 100 Mbit/s DL
 50 Mbit/s UL.
 Hasta 200 usuarios activos en una célula (5 MHz)
 Menos de 5 ms de latencia en el plano de usuario
 Movilidad
 Optimizado para 0 ~ 15 km/h.
 Soportado con altas prestaciones entre 15 ~ 120 km/h
 Soportado hasta 350 km/h ( 500 km/h)
 Cobertura
 Prestaciones soportadas en células de hasta 5 km con
ligera degradación hasta 30 km
 No se descartan células de hasta 100 km
 Servicios de broadcast y multicast mejorados (E-MBMS)
 Flexibilidad en la asignación de espectro: 1.25 ~ 20 MHz
 Soporte mejorado a calidad de servicio (QoS) extremo a
extremo
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 38
3.9G – LTE (Release 8 y 9): Pros & Cons (I)
 Progresos sobre los sistemas HSPA+:
 Salto tecnológico. OFDM es más sencillo que CDMA, muy maduro y más competencia.
 Salto de ancho de banda: 4 veces más que 3G, de nuevo hay recorrido para alcanzar elevadas
tasas binarias.
 Si con HSPA+ DC teníamos 42 Mbps en 10 MHz, cabría esperar 84 Mbps en 20 MHz, sin usar MIMO.
 Inconvenientes:
1
5 MHz
5 MHz
5 MHz
5 MHz
5 MHz
10 MHz
20 MHz
20 MHz
R6
R6
R6
R7
R7
R8
R8
R8
LTE: Long Term Evolution
Peak Rate
5 MHz Cell Capacity
 Desaparece el dominio de circuitos (CS). Los servicios CS (principalmente la voz) deberán
llevarse sobre paquetes (VoIP). Surge un dominio de paquetes para servicios del operador: IMS
 Mismo problema con las “tasas medias de celda vs. tasas de pico” que en 3G:
 Complejidad:
LTE
Difficult to implement in practice
Numerosas bandas de frecuencia +
LTE 4 X 4
numerosos anchos de banda +
7.1 Mbps
LTE 2 X 2
HSPA+
Current capability
posibilidades de CA+
5.8 Mbps
Dual Carrier
MIMO
coexistencia con 2G y 3G+
HSPA
64 QAM
Advanced Rx
4.3Mbps
4.3 Mbps
nueva Red IMS =
3.8 Mbps
3.7 Mbps
HSDPA R6 HSDPA R6
¡enorme complejidad!
2.5 Mbps
2.5 Mbps
¡Cientos de combinaciones
7.2 Mbps
14 Mbps
14 Mbps
21 Mbps
28 Mbps
42Mbps
340 Mbps
170 Mbps
a probar!
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 39
4G – LTE-A (Release 10): Tecnología
 LTE es “3.9G”, todavía no es 4G.
 LTE = 3.9G = E-UTRAN (R8, R9)  Evolución de 3G = IMT 2000 (ITU)
 “LTE Advanced” = LTE-A = LTE+ (R10)  Candidata a 4G = “IMT
Advanced” (ITU)
 Algunos requisitos de 4G propuestos por la ITU:
 Alto grado de funcionalidad común soportada universalmente,
manteniendo la flexibilidad para soportar un amplio abanico de servicios
y aplicaciones de forma eficiente en costes
 Compatibilidad de servicios entre sistemas IMT y con redes fijas
 Equipos de usuario válidos para uso universal, roaming global
 Alta calidad y usabilidad de servicios, aplicaciones y equipos
 Tasas de pico mejoradas para suportar servicios y aplicaciones
avanzados. Objetivos:
 100 Mbit/s en alta movilidad
 1 Gbit/s en baja movilidad
 Se están considerando anchos de banda de 100 MHz (NTT docomo alcanzó en pruebas 5 Gbit/s
con 100 MHz a 10 km/h, usando MIMO 12x12. Pruebas realizadas el 25 de diciembre de 2006)
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 40
Evolución de la arquitectura (I)
 GSM
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 41
Evolución de la arquitectura (II)
 GPRS
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 42
Evolución de la arquitectura (III)
 UMTS
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 43
Evolución de la arquitectura (IV)
 UMTS con IMS (situación de RCS en España en 2013)
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 44
Organizaciones de estandarización (I)
 3GPP: responsable de GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, LTE, LTE-A
 Especificaciones de funcionalidad y pruebas
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 45
Organizaciones de estandarización (II)
 GSMA: GSM Association. Agrupa operadores de
todas las tecnologías 3GPP.
 Fabricantes como miembros invitados
 No elabora estándares básicos, pero sí “perfiles”
(VoLTE, RCS…), “acuerdos” (formatos comunes),
gestiona el roaming e interconexión
 Organización de lobby de la industria móvil
 Organiza el Mobile World Congress
 OMA: Open Mobile Alliance.
 Estandarización de servicios: WAP,
Localización, SyncML, MMS…
 GCF: Global Certification Forum. Certificación de
tecnologías 3GPP, OMA, y otras
 Esquema voluntario de certificación, no es
normativa regulatoria.
 Incluye pruebas de conformidad (conformance),
interoperabilidad (IOT), pruebas de campo (field
trials) y de rendimiento (performance)
LTE: Long Term Evolution
Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 46
¡Muchas gracias!