1 Estudio de las características técnicas de LTE y su nivel de

1 Estudio de las características técnicas de LTE
y su nivel de concordancia con los
requerimientos de IMT-avanzado establecidos
por
la
Unión
Internacional
de
Telecomunicaciones.
Día tras día los requerimientos de ancho de banda de los sistemas móviles aumentan debido a las
necesidades de las personas de permanecer continuamente conectadas a redes sociales, juegos en
línea, actividades laborales, académicas o simplemente por ocio, la tercera generación 3G de las
redes móviles permitió que las personas lograran satisfacer estas necesidades pero como era de
esperar las redes móviles 3G tienden a quedarse cortas para cumplir con los requerimientos de los
usuarios. El estándar europeo GSM, aunque no el mejor, sin lugar a dudas es el que ha triunfado
entre los operadores principalmente por características como: facilidad para ser implementado en
economías de escala, la tarjeta SIM que permite intercambiar de equipo fácilmente y la gran
variedad de dispositivos móviles celulares que se pueden adquirir.
Los servicios móviles celulares comenzaron con solo servicios de voz y evolucionaron
rápidamente hasta los servicios de datos, su éxito radica en el hecho que esta tecnología marcó un
hito en la historia al convertir la telefonía en un servicio personal por medio de la ubicuidad,
convirtiéndose en un elemento de la vida diaria actual. Los servicios de datos lograron su apogeo
máximo durante la tercera generación 3G a través tecnologías como UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System), CDMA (Code Division Multiple Access) y sus posteriores mejoras HSPA
(High Speed Packet Access). Cada cambio de tecnología fundamentalmente lo que busca es
incrementar la capacidad de manejo de datos para satisfacer las necesidades de los nuevos servicios
como IPTV (Internet Protocol Internet) logrando disminuir los tiempos de latencia y aumentando la
capacidad de transmisión tanto en el enlace ascendente (uplink) como en el enlace descendente
(dowlink), la Figura 1-1 muestra los requerimientos de ancho de banda y latencia que los servicios
tradicionales y novedosos exigen a las redes móviles.
LTE es el resultado natural de la evolución de las redes de radio GSM (Global System for Mobile
communications) dentro del grupo 3GPP , este grupo "The 3rd Generation Partnership Project Agreement”,
fue creado en 1998 y su alcance original era producir reportes y especificaciones técnicas para
sistemas móviles en redes de núcleo GSM evolucionado y las tecnologías de acceso de radio que
estas soportaban como Acceso de Radio Terrestre Universal (UMTS Terrestrial Radio Access,
UTRA) en modo duplex por división de frecuencia y dúplex por división en el tiempo. Luego su
alcance se extendió y ahora incluye desarrollo y mantenimiento de las especificaciones técnicas y
reportes técnicos de GSM, incluyendo las tecnologías de acceso de radio avanzadas como GPRS
(General Packet Radio Service) y EDGE (Enhanced data Rates for GSM Evolution)2.
La tercera generación UMTS basada W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) ha sido
desplegada en todo el mundo. Con el fin de mantener este sistema competitivo en el futuro, en
2
Tomado de http://www.3gpp.org/About-3GPP
Capitulo 1
5
2004 el 3GPP comienza a trabajar en un proyecto para definir la evolución de largo plazo de la
tecnología celular UMTS. Todos los trabajos asociados con el E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial
Radio Access) y la E-UTRAN ((Evolved
Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) fueron finalmente
referenciados como el proyecto LTE. (1)
Figura 1-1: Comparación latencia vs ancho de banda en servicios tradicionales y modernos (2)
Figura 1-2: Evolución de las tecnologías de acceso de radio en el 3GPP
El 3GPP simultáneamente comenzó a trabajar en otro proyecto llamado evolución de arquitectura
del sistema (System Architecture Evolution SAE) que define una nueva red de núcleo de paquetes
completamente IP conocida como núcleo de paquetes evolucionado (Evolved Packet Core EPC). La
combinación E-UTRA y E-UTRAN conforma es el sistema de paquetes evolucionado (Evolved
Packet System EPS). Usualmente y dependiendo del contexto los términos LTE, E-UTRA, EUTRAN, SAE, EPC y EPS se usan indistintamente pero lo correcto sería utilizar EPS para hablar
del sistema completo, pero normalmente se utiliza la referencia LTE/SAE o simplemente LTE (1),
para fines explicativos utilizaremos el término LTE para referirnos al sistema completo. Ver Figura
1-3 para entender la relación de los diferentes términos mencionados. La Figura 1-4 muestra la
evolución temporal de la tecnología LTE/SAE.
Figura 1-3: Explicación proyecto EPS (1).
6
Capítulo 1
Figura 1-4: Evolución de la tecnología LTE (1).
LTE ha tenido un camino de evolución bien definido, por eso toda la descripción de la tecnología
que se realizará en adelante está referenciada al lanzamiento 9 de esta tecnología es decir LTEavanzado que en octubre de 2010 fue aceptada como la tecnología 4G durante ITU-R Working
Party 5D, habiendo completado satisfactoriamente 4 pasos de 7 del proceso IMT-Avanzado3 en la
ITU-R completando y excediendo todos los ccriterios
riterios establecidos por la ITU, y finalmente fue
ratificada como la tecnología IMT-Avanzado el pasado 22-23 de noviembre de 2010 en Ginebra,
Suiza4.
1.1 Especificaciones del Estándar LTE
El lanzamiento 7 de las especificaciones LTE incluye el estudio en fa
fases
ses de LTE. Este estudio
arrojo muchos documentos y reportes técnicos de los cuales el TS 25.913 y el TS 25.912 son bien
conocidos. Pero en el lanzamiento 8 los mismos reportes están organizados como se muestra en la
Tabla 1-1 y dichas series se conservan en el lanzamiento 9.
Tabla 1-1. Especificaciones de LTE para la tecnología de radio E-UTRA y LTE-avanzado
Índice de especificación
TS 36.1XX
TS 36.2XX
TS 36.3XX
TS 36.4XX
TS 36.5XX
TS 36.8XX y 36.9XX
3
4
Descripción
Requerimiento de equipos. Terminales, estaciones base, repetidores
Capa física
Capas 2 y 3. Control de acceso al medio, control del enlace de radio
y control de los recursos de radio
Infraestructura de comunicaciones. UTRAN. Incluyendo
estaciones base y entidades de gestión movilidad
Pruebas de conformidad
Reportes técnicos que contienen información de referencia y
conocimiento
International Mobile Telecommunications
http://www.3gamericas.org/index.cfm?fuseaction=page&sectionid=352&printfriendly=
Capitulo 1
7
Las especificaciones SAE se encuentran en la series 22, 23,24 y 33, de las cuales se listan algunas
especificaciones en la Tabla 1-2 allí TS se refiere a especificación técnica y TR reporte técnico.5
Tabla 1-2. Especificaciones LTE para SAE
Índice de especificación
TS 21.202
TS 21.905
TS 23.002
TS 23.003
TS 23.401
TR 23-882
TS 24.301
TS-29.272
TR 29-804
TS 33.203
TS 33.210
TS 33.401
TS 33.402
TS 33.102
Descripción
Subsistema IP Multimedia IMS
Vocabulario de las especificaciones 3GPP
Arquitectura de red
Terminales, red núcleo. Numeración direccionamiento e
identificación
Mejoras en General Packet Radio Service (GPRS) para la E-UTRAN
Evolución de la arquitectura del sistema (SAE)
Protocolo NAS para EPS.
Sistema de paquetes evolucionado; entidad de gestión de movilidad
MME
3GPP System Architecture Evolution (SAE):
Seguridad 3G: accesos seguros para servicios basados en IP
Seguridad 3G; Seguridad del dominio de la RED (NDS); seguridad
en la capa de red IP
System Architecture Evolution (SAE); seguridad de la arquitectura
System Architecture Evolution (SAE); aspectos de seguridad para
accesos no 3GPPP
Seguridad 3G; seguridad de la arquitectura.
1.2 Requerimientos de diseño de LTE-avanzado6.
El primer lanzamiento de LTE fue denominado internamente en el 3GPP como LTE-release 8,
para continuar con el consecutivo de la evolución de las tecnologías 3GPP ver Figura 1-2. Este
primer lanzamiento estaba cerca ya de cumplir con los requerimientos de IMT-Avanzado pero no
los satisfacía completamente. LTE-release 8 soporta una nueva interfaz con anchos de banda
escalables para la portadora de 1.4MHz a 20 MHz Los esquemas de acceso múltiple son OFDMA
(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) para el enlace descendente y SC-FDMA (Single Carrier
Frequency-division multiple access) para el enlace ascendente, logrando obtener 300Mbps en el enlace
descendente y 75 Mbps en el enlace ascendente. También maneja una baja latencia de 10ms en el
plano de usuario y en el plano de control de 100ms, es decir pasar de estado sin disponible (idle) al
estado activo en este tiempo. Por último la eficiencia espectral en los borde de la celda se aumenta
en un factor de 2-3 veces comparado con HSPA es decir el rel-6 (3).
El lanzamiento 9 (rel-9) denominado LTE-avanzado fue diseñado específicamente para cumplir
con los requerimientos de la ITU para IMT-avanzado y con los requerimientos de los operadores
de redes GSM para la E-UTRA. Finalmente LTE-avanzado fue presentado ante la UIT en
octubre de 2009 cumpliendo con los requerimientos establecidos por esta organización, y
finalmente aceptado como la tecnología IMT-Avanzado en noviembre de 2010. Con base en (4) y
(5) se listan los siguientes requerimientos técnicos para LTE-Avanzado:
• Velocidad pico de datos: este parámetro deberá cumplir con 1Gbps para el canal descendente
y 500 Mbps para el canal ascendente
5
Consultar en http://www.3gpp.org/-specification-numbering, para mayor detalle de las especificaciones
SAE
6 LTE-avanzado también es referenciado como LTE release-9 o LTE lanzamiento 9.
8
Capítulo 1
• Latencia: La latencia es la suma de los retardos temporales dentro de una red7, para un sistema
LTE se manejan dos tipos de latencia la del plano de usuario y la del plano de control, en la
Figura 1-5 se observa de forma gráfica la relación entre los tiempos de latencia
Figura 1-5. Requerimientos para las transiciones de estado (4).
-
Latencia del plano de control: La latencia en el plano de control toma en cuenta los
retardos introducidos por la RAN (Radio Access Network) y por la CN (Core Network) y
excluye las latencias sobre las interfaces S18 estado el sistema sin carga. Se debe lograr un
tiempo de transición del modo idle (con direccionamiento IP asignado) al modo
conectado menor a 50ms incluyendo el establecimiento del plano de usuario. Así mismo
el tiempo de transición desde un estado dormido a un estado activo debe ser menor a
10ms.
-
Latencia del plano de usuario: el retardo en el plano de usuario se define en términos
del tiempo de transito desde que un paquete está disponible en la capa IP ya sea el equipo
de usuario UE o el nodo de borde de la RAN hasta que este paquete está disponible en
la capa IP del EU o el nodo de borde de la RAN, siendo el nodo borde de la RAN el
nodo que proporciona la interfaz RAN hacia el núcleo de la red (5). Se requiere obtener
una latencia máxima de 5ms en el plano de usuario en condiciones sin carga como por
ejemplo un paquete IP pequeño: 0 bytes de datos + encabezado IP.
-
Capacidad del plano de usuario
usuario:: el sistema deberá ser capaz de soportar como mínimo
300 usuarios activos sin recepción discontinua DRX en un ancho de banda de 5MHz
• Eficiencia espectral pico: es la más alta velocidad de datos normalizada por el total del ancho
de banda de la celda asumiendo condiciones libre de errores, cuando todos los recursos de
radio disponibles para el enlace correspondiente (ascendente o descendente) son asignado a un
solo UE. La eficiencia espectral pico para eell enlace descendente debe ser de 30bps/Hz y para
el enlace ascendente debe ser de 15bps/Hz. Asumiendo que la configuración de antenas es 8 x
8 o menos para el enlace descendente o 4 x 4 para el enlace ascendente.
• Eficiencia espectral promedio: se define como la tasa de transferencia efectiva (throughput)
agregada de todos los usuarios normalizada por el ancho de banda total de la celda dividido por
el número de celdas se mide en b/s/Hz/cell.
7
Definición extraída de Wikipedia
Conexión S1: es la que va entre la estación base eNB y la entidad de gestión de movilidad MME, estos
términos se aclaran más adelante
8
Capitulo 1
9
Tabla 1-3: Eficiencia espectral promedio (4).
Configuración de antena
LTE-avanzado [bps/Hz/cell]
UL
1.2
2.0
2.4
2.6
3.7
1x2
2x4
DL 2x2
4x2
4x4
• Transferencia efectiva (throughput) de usuario en el borde de la celda: es definida como
el 5% de la función distribución acumulada de la tasa de transferencia efectiva (throughput) de
usuario normalizada con el ancho de banda total de la celda.
Tabla 1-4. Transferencia efectiva (throughput) de usuario en el borde de la celda (4).
Configuración de antena
UL 1x2
2x4
DL 2x2
4x2
4x4
LTE-avanzado [bps/Hz/cell/user9]
0.04
0.07
0.07
0.09
0.12
• Capacidad VoIP: El numero de usuario de voz IP (VoIP), este requerimiento ya fue resuelto
desde el lanzamiento 8 y cualquier combinación de antena cumple los requerimientos
establecidos por la UIT, ver (6) para el detalle de los resultados.
• Movilidad: El sistema soportara movilidad entre redes celulares hasta 350 Km/h.
Tabla 1-5. Especificaciones de movilidad en LTE-avanzado
Velocidad
0-15 Km/h
15-120 Km/h
Movilidad
Baja movilidad
Alta movilidad
120-350 Km/h
Muy alta
movilidad
350-500 Km/h
Calidad
optimizada
Soportada con alto
rendimiento
Soporte funcional
Observaciones
Los efectos en los aplicativos de
tiempo de real no deben ser
superiores a los de la GERAN10
cuando hay handover
Bajo consideración
• Cobertura: el sistema debe estar enfocado en cumplir los requerimientos de cada uno de los
apartados anteriores de la siguiente manera:
9
Medida para 10 usuarios uniformemente distribuidos en la celda
GERAN: network Access Radio EDGE GSM, red de acceso de radio EDGE GSM es decir redes
anteriores del sistema GSM
10
10
Capítulo 1
Tabla 1-6. Especificaciones de cobertura en LTE-Avanzado
Cobertura
Por encima
5 Km
Por encima
de 30 Km
Por encima
de 100Km
Características
Debe satisfacer al 100 % cada uno de los requerimientos de diseño de LTE
Puede haber degradación en los anteriores requerimientos de diseño excepto en
los de movilidad.
No está tomado en cuenta en la especificación.
• Mejoras adicionales en Multimedia Broadcast and Multicast Service MBMS11: fue
introducido en el lanzamiento 6, esta característica provee una forma para transmitir
simultáneamente contenido idéntico desde una solo fuente a muchos equipos de usuario en
uno o más sectores (7). los requerimientos extras son:
• Flexibilidad del espectro: LTE-avanzado debe estar en capacidad de operar en diferentes
bandas de frecuencia y con diferentes tamaños, hasta 100 MHz, debe soportar FDD y TDD en
bandas pareadas y no pareadas.
• Escenarios de coexistencia: LTE-avanzado está diseñado para mantener la coexistencia con
diferentes tecnologías 3GPP:
- Coexistencia y co-localización en la misma área geográfica con canales adyacentes
GERAN/UTRA/E-UTRA.
- Coexistencia y co-localización en la misma área geográfica entre operadores con canales
adyacentes.
- Coexistencia y/o solapamiento de espectro adyacente en las fronteras de los países.
- Operación de la E-UTRA Rel-8 y la E-UTRA avanzada en el mismo espectro.
• Escenarios de interoperabilidad:
anteriores
LTE avanzado debe manejar handover con
RAT12
• Otras características
- Reducir el CAPEX13 y OPEX14 en la red de retorno (Backhaul)
- Reducir el consumo de potencia, la complejidad y el costo del sistema y de los dispositivos
móviles debe ser razonable
- Convergencia. Eficiencia en el desempeño de varios tipos de servicios
1.3 Acceso de radio terrestre universal evolucionado E-UTRA
y red de acceso terrestre universal evolucionado EUTRAN
Disminuir la latencia ha sido uno de los factores en los que más se ha trabajado en el diseño de
redes móviles celulares y por supuesto LTE no ha sido la excepción, latencias menores a 5ms se
11
MBMS es un servicio ofrecido a través de redes móviles GSM y UMTS, su principal aplicación es la TV
móvil fundamentalmente lo que busca es lograr la interactividad en redes que normalmente son en un solo
sentido por ejemplo la TV tradicional.
12 RAT: Tecnología de acceso de radio.
13 CAPEX: Costos de adquisición: son las inversiones realizadas, tanto iniciales como de mantenimiento y
mejora, por parte de una compañía.
14 OPEX: Costo de ejecución: normalmente se refiere a los costo de operación de los equipos,
mantenimiento electricidad.