Estudio de requisitos técnicos que permitan caracterizar la cobertura con tecnología LTE

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1 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Estudi sbre ls requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE necesaria para prprcinar determinads servicis de dats Estudi realizad pr Tp Optimized Technlgies para la Dirección General de Telecmunicacines y Tecnlgías de la Infrmación (

2 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies ÍNDICE 1 Intrducción Fundaments básics de la tecnlgía Fundaments básics de HSPA Categría de terminales Fundaments básics de LTE Mds TDD/FDD Técnicas multiantena (MIMO) Categría de terminales LTE- Advanced Análisis prspectiv sbre la dispnibilidad y prestacines de terminales que sprten la tecnlgía LTE y LTE-A Requisits técnics de cbertura utilizads en la nrmativa españla y de trs países Requisits en España Requisits pr países Definicines previas aplicables a ls requisits técnics de cbertura Definición de velcidad de dats Tip de escenari Tip de terminal Definición de nivel de señal requerida Dispnibilidad de cbertura Banda de frecuencias y anch de la banda LTE- Advanced Mdel de cálcul de enlace Detalle del mdel de cálcul de HSPA Cnversión entre SINR y velcidad (tasa) alcanzable Resumen de parámetrs de transmisión Pérdidas pr penetración de interires Margen de interferencia Detalle del mdel de cálcul de LTE Página 2

3 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Cnversión entre SINR y velcidad alcanzable. Mdel de Shannn Resumen de parámetrs de transmisión Pérdidas pr penetración en interires Margen de interferencia Detalles del mdel cmunes a ambas tecnlgías Ganancia antena receptra Figura de ruid Ganancia MIMO Margen pr desvanecimient Mdel de carga Velcidad media diaria Mdels de Prpagación Umbral técnic necesari Nivel de servici y de señal recibida en el acces a Internet de banda ancha mediante redes móviles 3,5G (HSPA) Nivel de servici y de señal recibida en el acces a Internet de banda ancha mediante redes móviles 4G (LTE) Velcidades alcanzables del acces a Internet de banda ancha mediante redes móviles 4G (LTE) para ls niveles de señala recibida utilizads Variación de las velcidades alcanzables del acces a Internet de banda ancha mediante redes móviles 4G (LTE) en función de la banda de frecuencias Niveles de ptencia recibida para alcanzar determinadas velcidades usuari del acces a Internet de banda ancha mediante redes móviles 4G (LTE) cn antena externa (CPE) Velcidades alcanzables del acces a Internet de banda ancha mediante redes móviles 4G (LTE) en mdalidad TDD para determinads niveles de señal recibida Referencias y bibligrafía Página 3

4 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies 1 INTRODUCCIÓN El presente infrme recge ls resultads del estudi realizad pr Tp Optimized Technlgies para la Secretaría de Estad de Telecmunicacines y para la Sciedad de la Infrmación (SETSI) relativ al análisis e identificación de ls requisits técnics necesaris para determinar la cbertura LTE para servicis de banda ancha. Este estudi se ha cncretad en la elabración de un mdel de cálcul que permite btener ls niveles de señal recibida necesaris para frecer una velcidad de usuari determinada, recíprcamente, las velcidades de usuari alcanzables dad un ciert nivel de de señal recibida. Td ell para unas cndicines de red y servici previamente parametrizadas para cada us, de acuerd cn las recmendacines y rientacines que se incluyen. Asimism, aunque el bjetiv principal de este estudi se centra en la caracterización de la cbertura de las tecnlgías LTE y su evlución LTE Advanced (LTE-A), se han extendid ls mdels elabrads a la tecnlgía 3,5G-HSPA. De esta frma se psibilita determinar ls niveles de servici alcanzads cn ls umbrales de señal recibida utilizads cn HSPA y pderls usar cm referencia para determinar umbrales equivalentes en LTE. El infrme se estructura en trn a ds grandes blques: - Un resumen tecnlógic de HSPA, LTE y LTE-Advanced, incluyend la nrmativa referente a requisits y niveles utilizads en trs países de la UE. - Elabración de un mdel de cálcul a partir del análisis anterir que sirva cm base para la identificación de ls requisits técnics adecuads para cada us tip de cbertura. El infrme está rientad cm sprte a las actividades de la Dirección General de Telecmunicacines y Tecnlgías de la Infrmación. En este sentid se ha tenid en cuenta su aplicación a las siguientes actividades: - Elabración de mapas de la cbertura de banda ancha en España. La Dirección General de Telecmunicacines y Tecnlgías de la Infrmación elabra desde 2012 un mapa detallad de la cbertura de banda ancha en España que permite cncer la situación de dispnibilidad de la misma para cada tip de tecnlgía de red (ADSL, VDSL, WiMax, HFC-Dcsis 3.0, Fibra óptica-ftth, 3,5G-HSPA, 4G-LTE). Este mapa se elabra a partir de ls dats suministrads pr ls peradres, a ls que se les requiere, respect a las tecnlgías móviles, que infrmen sbre el prcentaje estimad de pblación cubierta para ls que el nivel de señal recibida medid a pie de calle supera uns cierts umbrales. El mdel generad permite definir umbrales para 4G cnsistentes cn ls niveles utilizads en 3,5G. - Identificación de niveles de señal LTE para el cumplimient de ls cmprmiss adquirids pr ls peradres adjudicataris de la banda de 800 MHz. Ls peradres que resultarn adjudicataris en subasta pública de 10 MHz pareads en la Página 4

5 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies banda de 800 MHz se cmprmetiern a cmpletar cnjuntamente, antes del 1 de ener de 2020, una cbertura que permita el acces a una velcidad de 30 megabits pr segund (Mbps) superir, al mens, al 90 pr cient de ls ciudadans de unidades pblacinales de mens de habitantes. El mdel generad servirá cm referencia para identificar el nivel de señal recibida cn tecnlgía LTE que psibilita dicha velcidad. - Seguimient de ls bjetivs de la Agenda Digital. La Agenda Digital para España tiene cm bjetiv que para el añ 2020 tdas las persnas puedan dispner de servicis de acces a Internet cn velcidades pr encima de ls 30 megas. Adicinalmente, la nueva Ley General de Telecmunicacines, aprbada el 29 de abril de 2014, establece cm bjetiv que en el añ 2017 se alcance una velcidad mínima de Internet de 10 Mbps. Se incluye en este infrme el cálcul específic de ls umbrales de señal recibida que psibilitan las velcidades de usuari de 1, 10 y 30 Mbps. - Valración técnica de pryects. El mdel generad pdrá ser usad en la evaluación de ls pryects de slicitud de ayudas presentads pr las peradras para prgramas de extensión de banda ancha. La variedad de uss hace imprtante cntar cn un mdel flexible que permita mdificar ls parámetrs asciads a las cndicines aplicables para adaptarls a la finalidad específica de cada cas. Pr ejempl, ls bjetivs de velcidad de usuari para el seguimient de ls bjetivs de la Agenda Digital para la elabración de ls infrmes de cbertura de la banda ancha en Eurpa pr la Cmisión Eurpea sn muy dispares. Pr esta razón se ha implementad el mdel cm una hja de cálcul para permitir la máxima versatilidad. N bstante, en este infrme sól se reflejan ls resultads de ls escenaris más evidentes de acuerd a ls uss descrits anterirmente. El infrme se estructura de frma que en el apartad 2 se describen ls fundaments básics de LTE y HSPA, centrándse en aquells cncepts que se utilizarán en el rest del dcument. El apartad 3 recpila la utilización de requisits de cbertura utilizads en la nrmativa españla y en la de trs países de la UE. En el apartad 4 se realizan unas definicines previas aplicables a ls requisits técnics, cndicines de medida y dispnibilidad de cbertura. En ls apartads 5.1 y 5.2 se detallan ls mdels de cálcul del enlace descendente de HSPA y LTE respectivamente. Mediante la aplicación de ests mdels, psterirmente en el apartad 5.3, se calculan las velcidades crrespndientes a ls umbrales de señal recibida utilizads en ambas tecnlgías para elabrar ls actuales mapas de cbertura. Página 5

6 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies 2 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA TECNOLOGÍA 2.1 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE HSPA Cm respuesta a una mayr demanda de dats móviles nació HSPA (High Speed Packet Access), también denminada 3,5G, una evlución tecnlógica de UMTS (3G). En HSPA se englban una serie de mejras rientadas al enlace descendente, cncidas cm HSDPA, y tras al enlace ascendente (HSUPA). En este apartad ns referirems únicamente a características del enlace descendente. A diferencia de ls canales de dats de UMTS que sn dedicads para cada usuari, HSDPA se basa en la cnmutación de paquetes sbre un canal cmpartid. Esta evlución aumenta de manera significativa la capacidad máxima de transferencia de infrmación, alcanzand velcidades teóricas de hasta 14,4 Mbps para la Release 5 en la que se intrduj. Est se cnsigue gracias al increment de eficiencia espectral pr usar mdulación de mayr rden (Mdulación de Amplitud en Cuadratura 16 QAM), tasa variable de cdificación, Fast Packet Sheduling y redundancia incremental HARQ (Hybrid Autmatic Repeat-Request). Psterirmente, HSPA siguió evlucinand en las sucesivas releases del 3GPP. En la Release 7 se intrdujern nuevas mejras cm las técnicas multiantena (MIMO, Multiple Input Multiple Output) y mdulación de 64QAM, que permiten una velcidad máxima de 21 Mbps. En la Release 8 se intrduj la agregación de ds prtadras radi de 5 MHz, cncida cm Dual Carrier, pudiend alcanzar teóricamente 42 Mbps de velcidad de dats para las redes y terminales que implementen esta funcinalidad. HSDPA implementa un nuev canal dentr de W-CDMA llamad HS-DSCH (High Speed Dwnlink Shared Channel). Este canal de transprte es cmpartid entre tds ls usuaris y se materializa en varis canales físics HS-PDSCH, hasta un máxim de 15. HSDPA, cm parte del estándar UMTS, emplea la tecnlgía de acces radi WCMA (Wideband Cde Divisin Multiple Access) de acces múltiple pr división de códig de banda ancha, que cnsiste en emplear códigs expansres rtgnales cm signaturas para cada señal. De esta manera, cada canal físic HS-PDSCH emplea su prpi códig y puede ser separad del rest de ls canales. Un mism usuari hará us de varis canales HS-PDSCH en función del frmat de transprte emplead y la categría del terminal. Es el planificadr de la estación base, cncida cm NdB en 3G, el que asigna ls canales HS-PDSCH al usuari usuaris planificads en cada subtrama (2 ms). Esta planificación en el dmini del tiemp tiene en cuenta n sól el estad del canal, sin la equidad entre usuaris y psibles restriccines de retard. En HSDPA el frmat de transprte que se puede utilizar cn cada usuari se determina a partir de un indicadr de calidad del canal que reprta el móvil a la base llamad CQI (Channel Quality Indicatr). El CQI tiene a su vez el bjetiv de maximizar la velcidad de dats alcanzada mediante la adaptación de la cmunicación al enlace radi, est es, mdificand el esquema de transmisión en función del estad del canal para cnseguir la máxima eficiencia. A diferencia de UMTS, en HSPA la ptencia de transmisión n se adapta a ls desvanecimients Página 6

7 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies del canal radi. Pr el cntrari, se puede cnsiderar que HSDPA utiliza tda la ptencia remanente del NdB (descntand la ptencia empleada pr ls canales cmunes y dedicads, empleads para frecer servici de vz y servici de dats a terminales sin HSPA), haciend que éste transmita a máxima ptencia. El CQI que elige el móvil depende de las cndicines de canal radi que mida mediante las señales de referencia pilt. Este nivel de pilt en 3G se cnce cm RSCP (Received Signal Cde Pwer) y se mide sbre el canal CPICH (Cmmn Pilt Channel). El CPICH se emplea también para descubrir nuevas células y realizar traspass, pr l que su nivel determina la cbertura de la célula. Habitualmente su ptencia se encuentra entre un 5% y un 15% de la ptencia máxima del Nd B, siend un valr típic el 10%. Existen 30 CQIs definids para HSDPA según [1]. Cuand las cndicines de canal sn más favrables ls CQIs mayres aprtan mejr eficiencia a la cmunicación mientras que ls CQIs inferires aprtan la rbustez necesaria en cndicines adversas de canal. El tamañ del blque de transprte emplead viene determinad pr el CQI que reprte el terminal así cm pr su categría de terminal HSPA. Un smartphne actual ya llega a la categría 24 pr l que su velcidad teórica máxima de dats HSDPA sería de 42 Mbps empleand agregación de prtadras [2] Categría de terminales Asciad a las tablas de CQI que puede emplear un terminal móvil está su categría de terminal HSPA. A partir de la Release 9 en la especificación [2], se definen más de 30 categrías de terminales HSPA en función del númer máxim de códigs HS-DSCH empleads en paralel (5, 10 15), el rden de mdulación sprtad, si sprta agregación de prtadras radi (dual carrier) y su cmpatibilidad cn técnicas MIMO. 3GPP Release Categry Max. number f HS-DSCH cdes Mdulatin MIMO, Multi-Cell Release QAM 1,2 Release QAM 1,2 Release QAM 1,8 Release QAM 1,8 Release QAM 3,6 Release QAM 3,6 Release QAM 7,2 Release QAM 7,2 Release QAM 10,1 Release QAM 14,0 Release QPSK 0,9 Max.data rate[mbit/s] Página 7

8 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies 3GPP Release Categry Max. number f HS-DSCH cdes Mdulatin MIMO, Multi-Cell Release QPSK 1,8 Release QAM 17,6 Release QAM 21,1 Release QAM MIMO 2x2 23,4 Release QAM MIMO 2x2 28,0 Release 7 17 Release QAM 17, QAM MIMO 2x2 23, QAM 21, QAM MIMO 2x2 28,0 Release QAM MIMO 2x2 35,3 Release QAM MIMO 2x2 42,2 Release QAM Dual-Cell 23,4 Release QAM Dual-Cell 28,0 Release QAM Dual-Cell 35,3 Release QAM Dual-Cell 42,2 Release QAM Dual-Cell + MIMO 2x2 46,7 Release QAM Dual-Cell + MIMO 2x2 55,9 Release QAM Dual-Cell + MIMO 2x2 70,6 Release QAM Dual-Cell + MIMO 2x2 84,4 Release QAM Triple-Cell 63,3 Release QAM Triple-Cell + MIMO 2x2 126,6 Release QAM Quad-Cell 84,4 Release QAM Quad-Cell + MIMO 2x2 168,8 Release QAM Hexa-Cell 126,6 Release QAM Hexa-Cell + MIMO 2x2 253,2 Release QAM Octa-Cell 168,8 Release QAM Octa-Cell + MIMO 2x2 337,5 Release QAM Dual-Cell + MIMO 4x4 168,8 Release QAM Quad-Cell + MIMO 4x4 337,5 Tabla 1: Categrías de terminales HSPA Max.data rate[mbit/s] Estas velcidades sn las teóricas alcanzables per las reales netas serán inferires debid a sbrecarga de señalización de prtcls en las capas de aplicacines. Página 8

9 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies 2.2 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LTE La tecnlgía LTE (Lng-Term Evlutin), ha sid desarrllada en ls últims añs cn vcación de cnvertirse en la cuarta generación de las cmunicacines móviles. Está rientada a dats y basada en una arquitectura de cnmutación de paquetes td IP. Ls principales bjetivs marcads en su desarrll fuern alcanzar elevadas eficiencias espectrales (5 bits/s/hz en el enlace descendente y la mitad en el ascendente) y flexibilidad en la asignación de frecuencias. Ls factres que han impulsad su aparición sn tant las crecientes necesidades del mercad cm las psibilidades que brindan ls avances tecnlógics. En cuant a la transmisión del enlace descendente de LTE, se emplea acces múltiple pr división de frecuencia rtgnal OFDMA (Orthgnal Frequency-Divisin Multiplexing Access), en la que la banda de transmisión se divide en un gran númer de subprtadras mduladas cn un pequeñ anch de banda (15 KHz) y rtgnales entre sí cm muestra la Figura 1. OFDMA es una tecnlgía muy adecuada para alcanzar altas velcidades máximas de dats cuand se emplea un gran anch de banda. Figura 1: Prtadras radi rtgnales en LTE gracias a la mdulación OFDM Aunque las subprtadras sean rtgnales entre sí y teóricamente pueden ser transmitidas sin que se prduzcan interferencias entre ellas, la dispersión tempral del canal elimina esta rtgnalidad. Para slucinarl, se intrduce un prefij cíclic (cpia de la última parte del símbl OFDM antes del cmienz de éste). Cn est se cnsigue mantener la rtgnalidad entre subprtadras en presencia de dispersión tempral. Una característica fundamental del esquema OFDM es que permite transmitir a un usuari distint en cada subprtadra, pr l que la planificación de usuaris se hace tant en el dmini del tiemp cm en el de la frecuencia pudiend aprvechar las mejres cndicines de canal en cada mment. En cuant al enlace ascendente, sin embarg, un enfque de OFDMA pur da lugar a una relación pic a prmedi (PAPR) de la señal elevada, l que cmprmete la eficiencia de ptencia y la vida útil de la batería. De ahí que LTE utilice un enfque para el enlace ascendente distint llamad FDMA de una prtadra (SC-FDMA, Single Carrier FDMA), que se asemeja en parte a OFDMA, per tiene una ventaja de emplear menr ptencia de pic. LTE, al igual que WCDMA, tiene reús frecuencial 1, es decir tdas las células emplean td el anch de banda dispnible para realizar sus transmisines. Sin embarg, mientras que WCDMA emplea códigs para distinguir las distintas transmisines, LTE cnsigue evitar la Página 9

10 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies interferencia intracelular gracias al esquema de transmisión OFDM. También de frma similar a WCDMA, al emplear tdas las células las mismas frecuencias en sus transmisines, se prducen interferencias intercelulares entre células vecinas. Para mitigar el efect de interferencia entre vecinas se pueden emplear estrategias de crdinación de interferencias (Inter-cell interference crdinatin, ICIC) entre ls distints nds de la red para reducir la degradación de prestacines en brde de célula. Estas estrategias n están muy desarrlladas actualmente en LTE, aunque se espera que evlucinen más en LTE-A. Al igual que en HSPA, en LTE se emplea la realimentación del estad del canal radi a través del indicadr CQI que reprta el móvil a la estación base, cncida cm endeb en 4G. Este CQI determina el esquema de mdulación y cdificación adaptativas (AMC) que se emplea en la cmunicación y cnsigue la adaptación adecuada de la cmunicación a las cndicines del enlace radi manteniend la ptencia cnstante en el transmisr. Hay 15 CQIs definids en LTE [3] asciads cada un de ells a una mdulación y un frmat de transmisión determinad, cuant mayr CQI más eficiente será la mdulación a emplear y más tasa de dats btiene el usuari. Al igual que en HSPA, el CQI se escge atendiend a las cndicines radi que se midan en la señal de referencia, principalmente medida cm la relación señal a ruid la RSRQ. Hay varias medidas estandarizadas en LTE para determinar las cndicines radi, la RSRP (Reference Signal Received Pwer), la RSRQ (Reference Signal Received Quality) y la RSSI (Received Signal Strength Indicatr) que mide la ptencia ttal recibida en la banda teniend en cuenta interferencia y ruid. La RSRP mide el prmedi de ptencia pr prtadra LTE calculada sbre tdas las señales de referencia, mientras que la RSRQ es un prmedi de la ptencia recibida sbre td el anch de medición: (1) Cm se recge en la especificación 3GPP [3] en la tabla , para LTE se definen distints tips de tamañ de blque de transprte (en bits) en función del anch de banda en númer de resurce blck (RBs). Cada un de ests RBs se cmpne de 12 subprtadras LTE separadas 15 KHz cm muestra la Figura 2, pr l que el anch de banda cupad pr cada un es de 180 KHz. Para calcular el númer de RBs que caben en un ciert anch de banda hay que tener en cuenta que del anch de banda ttal dispnible para la transmisión LTE un 10% se emplea en señalización, pr l que el anch de banda efectiv para dats es del 90% del ttal dispnible. Página 10

11 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Figura 2: Recurs radi de transmisión tiemp-frecuencia (RB) en LTE Ls tamañs de blque de dats de [3] sn ls que determinan la velcidad de dats del usuari LTE. Pr pner alguns ejempls y supniend sl una capa de transmisión (sin dispner de varias capas pr las técnicas MIMO), en el cas de dispner de 10 MHz de anch de banda, l que se traduce en 50 RBs, el tamañ de blque máxim (para un índice máxim de blque de 27) es de bits. Cm cada radiblque se transmite en 1 ms (Transmissin Time Interval, TTI), la velcidad neta máxima alcanzable pr el usuari para un anch de banda de 10MHz es de 36,7 Mbps. En el cas de dispner de 20 MHz de anch de banda, es decir 100 RBs, el tamañ de blque máxim según [3] es de bits. Cn un tiemp de transmisión de 1ms equivale a una velcidad máxima de usuari de 75,37 Mbps. Es decir, sin dispner de técnicas de multiplexación MIMO la máxima tasa de dats para uns anchs de banda de 10 y 20 MHz es de 36 y 75 Mbps respectivamente Mds TDD/FDD A nivel físic, LTE puede perar tant en FDD (Frequency Divisin Duplex) cm en TDD (Time Divisin Duplex). En FDD ls enlaces descendente (dwnlink, DL) y ascendente (uplink, UL) cupan cada un una banda de frecuencias distinta (f DL y f UL ). Pr tant, es psible transmitir simultáneamente en ambs enlaces, cuyas subtramas están alineadas. En TDD, pr el cntrari, ambs enlaces se transmiten en la misma banda (f DL/UL ), pr l que sól se puede perar en un de ells al mism tiemp. En este cas, en cada trama existen subtramas descendentes (D), ascendentes (U) y especiales (S) (una parte de la subtrama crrespnde a cada enlace, más tra parte que queda vacía) que se van multiplexand en el tiemp dependiend de la cnfiguración establecida [4]. En la siguiente figura se muestran las cnfiguracines psibles de trama TDD. Página 11

12 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Figura 3: Cnfiguracines de trama TDD Cabe destacar que la velcidad final de cada enlace (ascendente descendente) dependerá de la cnfiguración escgida de númer de subtramas para cada un de ls enlace dentr de cada trama, es decir, del prcentaje de tiemp de trama dedicad a cada un de ells. Las velcidades teóricas máximas se calculan de la misma manera que para el md FDD y se aplica el prcentaje de subtramas dedicadas a cada enlace (DL y UL) sbre el tiemp ttal de trama de la cnfiguración escgida de TDD. Nrmalmente las redes desplegadas emplean FDD, mientras que TDD de mment se aplica en nichs de mercad. Se estima que para el añ 2018 TDD supndrá el 13% de las cnexines LTE [5] Técnicas multiantena (MIMO) LTE emplea técnicas MIMO relacinadas cn el us de múltiples antenas en transmisión y/ recepción. Est supne añadir una dimensión espacial adicinal que puede aprvechar la frmación de canales estadísticamente independientes riginads pr el multitrayect y mitigar el efect del mism, cnsiguiend una mejra de las prestacines del sistema y multiplicar la tasa del usuari final. En función de la cnfiguración utilizada se pueden tener distintas alternativas de técnicas multiantena: Aprvechamient del multitrayect para multiplexación espacial. Esta técnica aprvecha que se pueden establecer varis canales paralels entre la estación base y el terminal, bteniéndse un aument en la tasa de dats sin tener que emplear un mayr anch de banda. Para pder btener benefici de esta técnica es necesari que el canal radi sea ric en multitrayect, y que ls distints trayects lleguen al receptr cn una relación señal a ruid alta. Esta técnica permite crear L trayects paralels desacplads de manera que se btiene una ganancia en eficiencia espectral igual al númer de camins independientes L. El máxim númer de camins independientes será el mínim entre antenas en transmisión y en recepción. Prveer a la transmisión de diversidad espacial mediante el prcesad de señal para cntrarrestar ls desvanecimients del canal radi. Esta diversidad prprcina una "ganancia de array" que se traduce en una mejra de la relación señal/ruid igual al Página 12

13 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies númer de ramas dispnibles N. Es decir, la ganancia de array cincide cn el rden de diversidad N. Otr efect de las técnicas multiantena es que permiten dar frma al haz de radiación glbal (beam-frming) para maximizar la ganancia en la dirección en la que se encuentra el bjetiv y favrecer el rechaz de interferencias. En el cas de entrn suburban rural dnde la multiplexación espacial n es psible debid a la alta crrelación entre señales, ls beneficis que se pueden btener pr técnicas multiantena serán debids a ls esquemas de diversidad de transmisión. En ésts últims, la ganancia pr dispner de un array de N antenas implica una ganancia de 10*lg(N) (db) en relación señal a ruid en transmisión recepción. Pr ejempl, se btienen 3dB de ganancia cn un esquema 2x2 y 6dB en el cas de un esquema 4x Categría de terminales La especificación del 3GPP [6] define para LTE un cnjunt de categrías de terminal. Cada categría se crrespnde cn un cnjunt de funcinalidades sprtadas para la cmunicación entre el móvil y el endeb. El móvil infrma a la red de su categría, para que ésta sepa cóm puede cmunicarse cn él. Las diferencias entre categrías de terminal vienen dadas pr el númer de blques de transprte que pueden recibir en un determinad interval de tiemp en el enlace ascendente y descendente, el númer de flujs de transprte simultáne (rden de MIMO), y el máxim tip de mdulación que sprtan (16QAM, 64QAM). La Release 8 de LTE distinguía entre 5 tips de categrías de terminal alcanzand un máxim de 300Mbps de tasa de pic cn la categría 5. En las Releases crrespndientes a LTE- Advanced, 10 y 11, se han definid 5 nuevas categrías de terminal sumand un ttal de 10 categrías. La Tabla 2 muestra las velcidades máximas tant en el enlace descendente cm en el ascendente para las distintas categrías supniend que se dispne de un anch de banda de 20MHz. (2) 3GPP release User equipment categry Maximum L1 datarate dwnlink Maximum number f DL MIMO layers Maximum L1 datarate uplink Release 8 Categry 1 10,3 Mbit/s 1 5,2 Mbit/s Release 8 Categry 2 51,0 Mbit/s 2 25,5 Mbit/s Release 8 Categry 3 102,0 Mbit/s 2 51,0 Mbit/s Release 8 Categry 4 150,8 Mbit/s 2 51,0 Mbit/s Release 8 Categry 5 299,6 Mbit/s 4 75,4 Mbit/s Release 10 Categry 6 301,5 Mbit/s 2 r 4 51,0 Mbit/s Release 10 Categry 7 301,5 Mbit/s 2 r 4 102,0 Mbit/s Release 10 Categry 8 2,998,6 Mbit/s ,8 Mbit/s Release 11 Categry 9 452,2 Mbit/s 2 r 4 51,0 Mbit/s Release 11 Categry ,2 Mbit/s 2 r 4 102,0 Mbit/s Tabla 2: Categrías de terminales LTE Página 13

14 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Cabe destacar que estas velcidades de dats en la capa de transprte L1 se verán alteradas pr la sbrecarga de ls distints prtcls, pr la cnfiguración de la red (anch de banda, carga, etc.) y pr la señalización; siend las velcidades efectivas menres. Para anchs de banda diferentes, distint númer de flujs (MIMO) es necesari aplicar la misma relación de prprcinalidad entre anch de banda y tasa máxima. En la siguiente tabla se resumen las velcidades para ls principales anchs de banda: DL UL Anch de banda 2x2 4x4 1x2 5 MHz 37 Mbps 72 Mbps 18 Mbps 10 MHz 73 Mbps 147 Mbps 36 Mbps 20MHz 150 Mbps 300 Mbps 75 Mbps Tabla 3: Velcidades máximas en función del anch de banda LTE LTE- Advanced En el añ 2011 el 3GPP lanzó en la Release 10 de LTE una nueva prpuesta de evlución para mejrar sus prestacines, LTE Advanced LTE-A, la cual incrpra una serie de mejras que permiten elevar las tasas máximas. Entre las principales nvedades de esta evlución se pueden citar: - Agregación de prtadras, l que permite que un usuari reciba en varias frecuencias simultáneamente. - Cnfiguracines multiantena MIMO mejradas que puede llegar hasta 8x8 - Intrducción de estrategias crdinadas de transmisión/recepción multipunt entre nds de la red (CMP, Crdinated multipint transmissin/receptin) - Crdinación de interferencias avanzadas (ICIC) en el sprte de redes hetergéneas, minimizand las interferencias y clisines entre redes micr y macrcelulares. La mejra relativa a la agregación de prtadras radi cnsiste en la psibilidad de agregar hasta un ttal de 100 MHz de anch de banda prveniente de un máxim de 5 prtadras (20 MHz pr cada prtadra) que pueden ser de distintas bandas n necesariamente cntiguas. Al igual que curría cn el dual carrier de HSPA, est implica pder alcanzar unas tasas de usuari muy superires a las btenidas anterirmente pr esta tecnlgía. Estas mejras intrducidas en LTE-Advanced se traducen en un rendimient de red superir al btenid cn LTE. En ls dcuments del 3GPP [7] y [8] se recgen ls requerimients en cuant a velcidades y eficiencias espectrales acrdads para LTE y LTE-A. En la Tabla 4 se muestra la cmparación entre LTE y LTE-A de la velcidad alcanzable, tant para valres teórics cm para simulacines empleand un canal de referencia (Case 1: canal a 3 km/h y ds rays): Página 14

15 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Velcidad máxima (Mbps) Eficiencia espectral máxima (bits/s/hz) Velcidad de usuari (Mbps)* Eficiencia espectral (bits/s/hz)* Velcidad de usuari en brde (Mbps)* DL UL DL UL DL UL LTE LTE- Advanced DL UL DL UL x2 33,8 80,0 4x4 53,4 123,3 2x2 14,8 40,0 4x4-66,7 2x2 1,69 2,4 4x4 2,67 3,7 1x2 0,74 1,2 2x4-2 2x2 1 2,3 4x4 1,6 4,0 1x2 0,4 1,3 2x4-2,3 2x2 0,05 0,07 DL Eficiencia espectral de usuari en 4x4 0,08 0,12 brde (bits/s/hz)* 1x2 0,02 0,04 UL 2x4-0,07 *3GPP Case 1 Tabla 4: Cmparativa velcidades LTE y LTE-Advanced Ls valres de velcidad de usuari de brde indicads en la tabla se definen cm el percentil del 5% de la distribución de las velcidades de la celda, l que implica que ls usuaris btendrán una velcidad igual superir a la indicada cn una prbabilidad del 95%. Cm se puede cmprbar en la Tabla 4 las velcidades btenidas tras realizar la simulación sn inferires a las máximas teóricas alcanzables. Algunas previsines indican que para 2020, el 50% de ls usuaris de LTE se encntrarán en una red LTE-A [9] Análisis prspectiv sbre la dispnibilidad y prestacines de terminales que sprten la tecnlgía LTE y LTE-A El mercad de terminales LTE está avanzand muy rápidamente gracias al fuerte despliegue que está teniend la tecnlgía en td el mund. Actualmente se han desplegad 288 redes LTE cmerciales, distribuidas en 104 países, de las cuales 36 sn LTE-TDD y el rest LTE-FDD [10]. A principis de 2014 existían 1240 mdels de terminal cmpatibles cn LTE frente a ls 680 del añ anterir [11], incrementándse el númer de fabricantes en un 44%. 455 de ests Página 15

16 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies terminales LTE sn teléfns inteligentes (smartphne), que sn en un 99% de ls cass cmpatibles cn ls estándares móviles anterires (3G). La mayr parte de ls dispsitivs lanzads sn categría 3, cn hasta 100 Mbps de bajada (ej. Huawei Ascend G526, LG G2, Nkia Lumia 925) aunque existen ya 87 terminales de categría 4, cn hasta 150 Mbps (ej. Sny Xperia Z2, Nexus 5). Ya hay alguns termines de categría 6 anunciads a la venta en algún país, siend capaces de descargar 300 Mbps cn tecnlgía LTE-A y agregación de prtadras, cm sn el Samsung Galaxy S5 LTE-A y el LG G3. Es frecuente que un mism mdel de móvil, sea sacad al mercad en sucesivas versines según se mejra su categría en diferentes mercads, cm ha currid cn el Apple iphne 5 y Samsung Galaxy S5. La tendencia es que la dispnibilidad de terminales LTE será masiva durante ls próxims añs. Se prevé que para el añ 2019 casi el 30% de las cnexines móviles serán cnexines de LTE según un infrme que elabra tds ls añs Ericssn [12], ascendiend a un ttal de 2600 millnes de usuaris LTE. Un estudi elabrad para el rganism de regulación de cmunicacines de Rein Unid (Ofcm) [13], muestra que el tiemp medi desde la finalización de una versión del estándar hasta la aparición de ls primers terminales cmerciales es de uns 2/3 añs, y desde la aparición de ls terminales hasta su adpción masiva (50 millnes de usuaris) es de trs tres añs. Este hech se ha cumplid sbradamente cn la primera versión de LTE, cuya Release 8 se publicó definitivamente en diciembre de 2008, y en diciembre de 2013 ya existían más de 200 millnes de usuaris. La siguiente figura muestra la evlución tempral de la tecnlgía LTE desde su creación [14]. Figura 4: Evlución tempral LTE/LTE-A Página 16

17 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Cn LTE-Advanced se espera una velcidad de adpción al mens igual de rápida. La primera versión del estándar (Rel-10) finalizó en Juni de 2011, y en el añ 2013 ya se han vist las primeras redes cmerciales y ls primers terminales cmpatibles. Se espera una dispnibilidad masiva de terminales y de redes cmerciales para el añ Página 17

18 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies 3 REQUISITOS TÉCNICOS DE COBERTURA UTILIZADOS EN LA NORMATIVA ESPAÑOLA Y DE OTROS PAÍSES En este apartad se recpilan ls requisits técnics utilizads en cuant a cberturas de tecnlgías avanzadas de banda ancha móvil, tant a nivel eurpe cm particularizads pr requisits individuales de cada país. En la mayría de ls cass, al igual que en España, dichs requisits han surgid de las subastas del espectr del dividend digital en la banda de 800 MHz. Además se incluye, en cas de existir, el métd de medida previst para garantizar su cumplimient. 3.1 REQUISITOS EN ESPAÑA El Servici Universal, reglamentad en el Real Decret 726/2011, de 20 de may [15], define una calidad mínima para ubicacines fijas. Aunque su definición n se refiere específicamente a tecnlgías móviles, es una referencia útil para aquells emplazamients en ls que n hay alternativas de redes fijas dispnibles. De frma extractada, el mencinad Real Decret establece que la cnexión a la red pública de cmunicacines electrónicas, desde una ubicación fija, prvista a través de cualquier tecnlgía, deberá frecer a sus usuaris finales la psibilidad de establecer cmunicacines de dats a velcidad suficiente para acceder de frma funcinal a Internet. En cncret, se define que la cnexión a la red deberá permitir cmunicacines de dats en banda ancha a una velcidad en sentid descendente de 1 Mbit pr segund. En relación cn cada usuari el peradr designad para frecer el Servici Universal tiene que garantizar que la citada velcidad glbal de dats que debe prprcinar la cnexión, prmediada a l larg de cualquier perid de 24 hras, n sea inferir a un megabit pr segund. Pr tra parte, ya se ha mencinad que las subastas del espectr del dividend digital en la banda de 800 MHz reguladas en el Real Decret 458/2011 [16] establecían unas bligacines en línea cn ls bjetivs definids pr la Agenda Digital Eurpea. Ls peradres que resultarn adjudicataris en subasta pública de 10 MHz pareads en la banda de 800 MHz se cmprmetiern a cmpletar cnjuntamente, antes del 1 de ener de 2020, una cbertura que permita el acces a una velcidad de 30 megabits pr segund (Mbps) superir, al mens, al 90 pr cient de ls ciudadans de unidades pblacinales de mens de habitantes. Actualmente en España la Dirección General de Telecmunicacines y Tecnlgías de la Infrmación define uns requisits para la recpilación de infrmación destinada a elabrar ls mapas detallads de cbertura de banda ancha que permiten cncer de manera precisa la situación de dispnibilidad en td el territri. Página 18

19 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Para las tecnlgías móviles de banda ancha actualmente las peradras deben facilitar ls dats de cbertura atendiend a ls requisits siguientes: 3,5G-HSPA: "Se entenderá cm pblación cubierta aquella que reside en ubicacines en las que el nivel de señal recibida, a pie de calle, es igual superir a -90 dbm, valr que se cnsidera representativ de la cbertura de banda ancha en exterires. Asimism, se facilitará la cbertura en ls misms términs y para niveles de señal recibida de, al mens, -70 dbm, que se cnsidera representativa de la cbertura de banda ancha en el interir de ls edificis. Ambs niveles se entenderán referids a una prbabilidad de currencia del 90% del tiemp". 4G-LTE: "Se facilitará, para cada entidad de pblación, el prcentaje estimad de pblación cubierta cn redes de cuarta generación (LTE) en la banda de MHz para ds niveles de ptencia recibida de señal de referencia (RSRP) a pie de calle: -103 dbm y -81 dbm. Ambs niveles se entenderán referids a una prbabilidad de currencia del 90% del tiemp". 3.2 REQUISITOS POR PAÍSES La Oficina de Cmunicacines Eurpea de la CEPT realizó un cuestinari sbre las bligacines de cbertura establecidas pr ls distints países, cuyas respuestas se encuentran recpiladas en el dcument [17]. En la siguiente tabla se resumen dichas bligacines de cbertura de ls distints países, referidas a la banda de 800 MHz de LTE. Página 19

20 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Tabla 5: Resumen de requisits en ls distints países Cuntry Objetiv de Cbertura Definición de cbertura Métd de cmprbación Austria Obligación de cbertura al 25% de la pblación en la banda de 1 Mbps DL y 0,5 Mbps UL en utdr en znas 800 MHz y al 95% teniend en cuenta el rest de bandas. generales de cbertura de 25% y 95% Obligacines específicas para municipis específics: 2 Mbps DL y 0,5 Mbps para UL en indr en municipis específics. Se cnsidera 20 db atenuación indr. Simulacines prprcinadas pr el peradr cn cndicines de tráfic reales. Deberá incluir lista y ubicación de BTS, tráfic y us de las células y mapa de cbertura Se harán medidas de velcidad cn descarga de 3 minuts cn terminales cmerciales csteadas pr el peradr Bélgica 30% de la pblación a ls 2 añs de btener la licencia, 70% a ls 4 añs, 98% a ls 6 añs. Un de ls adjudicataris tiene una bligación adicinal de cubrir 60 ciudades específicas a ls 3 añs. Las bligacines pdrán alcanzarlas cn cualquiera de las bandas. 3 Mbps dispnibles las 24 hras del día, 7 días a la semana Sin definir en 4G. En 3G se seleccinan 1000 punts de medidas cn terminales cmerciales. Chipre Para ls peradres existentes, 40% de cbertura en 5 añs. Para peradres entrantes, 40% de cbertura en 3 añs, y 65% de cbertura en 5 añs. Velcidad de al mens 30 Mbps en td el área cubierta Sin definir República Checa Ls distrits están dividids en grup A (baja densidad de pblación) y B (rest de distrits). En 30 meses: Al mens 30 de 32 distrits del grup A En 5 añs: 100% de ls distrits Grup A, 22 distrits Grup B, al mens 50% de las líneas ferrviarias y autpistas. Velcidad DL 2Mbps ls primers 7 añs, 5Mbps en adelante. Se debe cubrir el 95% de la pblación del distrit cn: - 75% prbabilidad de cbertura indr sin En banda 800 MHz -SINR -5 db, RSRP -109 dbm Exterires para cubrir el 75% de interires. Se asume que cn una antena externa se cubre el 85% si al mens tiene 2,5 db ganancia La peradra enviará mapas de cbertura, Página 20

21 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies En 7 añs, 100% grups A y B, líneas ferrviarias y autpistas. antena externa - 85% prbabilidad de cbertura indr cn antena externa y se pdrán realizar medidas aleatrias en camp. Dinamarca Una de las ds licencias tiene la bligación de cubrir el 98% del área y el 99,8% de la pblación en un terci de ls distrits en 3 añs. 10Mbps DL en exterirs. Simulacines medidas del peradr. Estnia Sól requisit para peradres cn licencia nacinal. Deben instalar al mens 199 estacines y dar cbertura al 95% del territri (sin cntar ciudades) 5 Mbps DL. A partir de pruebas de camp de ha establecid un nivel de señal de 58 dbµv/m/5mhz El peradr debe enviar mapas de cbertura. El supervisr pdrá realizar medidas para su cmprbación. Francia 90% de las áreas rurales en 10 añs 98% del país en 12 añs, 99,6% en 15 añs. Las redes deben estar prvistas para dar un máxim teóric de 60 Mbps cn 10 MHz de anch de banda y 30 Mbps cn 5 MHz. Se define cbertura cm 95% de prbabilidad de recepción en exterires en cualquier mment. Se cmprbarán ls mapas de cbertura prprcinads cn drive tests usand terminales cmerciales. Se permite 5% margen de errr. Alemania Se identificarn un cnjunt de znas cn escasa cbertura que se clasificarn pr priridades. Sól cuand el 90% de la pblación de una priridad está cubierta, se puede usar la frecuencia para dar cbertura en la siguiente clasificación de priridad. N existe criteri específic, per el bjetiv del gbiern es prprcinar 50Mbps antes de 2018 Pruebas de camp. Islandia Licencia A: 99,5% de cbertura en 4 añs. Licencia B: 93,5% de cbertura en 4 añs. En 4 añs: 10 Mbps de pic, 3,85 Mbps de prmedi diari, 2,5 Mbps de prmedi en las tres hras más cargadas. Pruebas de camp cn equip Rmes de ROS. TSMW En 8 añs: 30 Mbps de pic, 11,3 Mbps de prmedi diari, 7,5 Mbps de prmedi en las tres hras más cargadas. Página 21

22 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Irlanda Cbertura al 70% de la pblación en 3 añs (cn cualquier banda) Nivel para 10MHz: 44 dbuv/m La cbertura debe alcanzarse para el 95% del área durante al mens el 95% del tiemp. Drive tests y mapas de cbertura prprcinads pr el peradr. Terminales tip Swissqual. Italia Se asció una lista de municipis a cada un de ls blques de frecuencia a subastar (except un, que carecía de requisits). El peradr deberá cubrir de su lista asignada: 90% prbabilidad de tasa de 2 Mbit/s en exterires en td mment. Se pdrán realizar pruebas de camp de frma casinal cn ls equips dispnibles (analizadres de espectr ) - 30% antes de 2016 cn cualquier banda, 75% antes de 2018 cn cualquier banda, 37,5% antes de 2020 en banda 800 MHz, 75% antes de 2023 en banda 800 MHz Lituania BANDA 800 Después de btener la licencia: - 30% de ls distrits en 3 añs - 80% de ls distrits en 5 añs Td el territri (except algunas znas de brde) en 2020 BANDA 900 Cbertura del 90% del país BANDA 800: 2Mbps para el 50% de ls hgares en 3 añs 2Mbps para el 85% de ls hgares en 5 añs 4Mbps para el 95% de ls hgares en 2020 BANDA 900: RSSI -72 dbm/5mhz znas urbanas RSSI -92 dbm/5mhz rest de znas Drive Tests, medidas y simulacines a partir de metdlgía aprbada pr el ministeri. Equipamient Agilent E6474A. Prtugal Obligación de frecer cbertura a un determinad númer de municipis en función del rang de frecuencias asignads. Se cnsidera cubiert un municipi si al mens el ayuntamient dispne de servici de banda ancha móvil. El servici de banda ancha a prprcinar debe permitir una tasa igual a la mayr de las crrespndientes a la ferta cmercial suscrita, en cada mment, pr ls clientes ubicads en el cuartil inferir de esas fertas, rdenads pr tasas ascendentes. Las peradras deben enviar mapas de cbertura y tds ls parámetrs relevantes usads para ls cálculs. Tienen niveles de referencia para UMTS: >-95 Buena, > -105 aceptable, >-115 Mala, <-115 Inexistente Página 22

23 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Eslvenia Rein Unid Obligación de cbertura para un de ls ltes asignads: - 95% de la pblación de Eslvenia incluyend 225 de 300 municipis (al mens 75% pblación) en 3 añs. Cbertura antes de 2018 de al mens el 98% de la pblación de Rein Unid y al mens el 95% de la pblación de cada estad: Inglaterra, Gales, Esccia e Irlanda del Nrte. Al mens 10 Mbps en exterires en sentid descendente cn una tasa mínima de 2 Mbps. En sentid ascendente una tasa mínima de 1 Mbps Velcidades de al mens 2 Mbps en interires cn un nivel de cumplimient del 90%. Se cnsiderará un nivel de carga baj (22% carga en antenas interferentes). El servici debe ser prprcinad usand equipamient extern. N se cmprbarán resultads. En alguna casión se pdrán realizar medidas de camp esprádicas. Ls peradres deben enviar anualmente sus estimacines de cbertura. En 4G nivel -4,1dB SINR para 10 MHz OFCOM ha publicad infrmación detallada sbre ls métds para realizar las previsines de cbertura. Nruega Obligación de cbertura del 40% de la pblación en el plaz de 4 añs para tdas las licencias de 800 MHz y del 98% a ls 5 añs (para la licencia de 2x10MHz) tras la btención de la licencia. Velcidades medias mínimas en exterires de 2Mbps en cualquier situación. Sin definir. Suecia Obligación de cbertura de al mens el 75% de las ubicacines fijas para 2013 y para finales del 2014 el rest de ubicacines. Velcidades mínimas de acces de 1 Mbps. El criteri exigid de velcidad de 1Mbps se puede cumplir de varias frmas: alcanzand ese máxim de manera puntual, 750 kbps en media diaria bien asegurand que la media de las 4 hras del día cn menr velcidad supere ls 500 kbps. Página 23

24 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies 4 DEFINICIONES PREVIAS APLICABLES A LOS REQUISITOS TÉCNICOS DE COBERTURA Una vez perfilads ls cncepts básics de la tecnlgía, y tmand cm referencia ls requisits técnics de cbertura de banda ancha que se están utilizand en trs países para el seguimient de cmprmiss relativs a LTE, en este apartad se abrdan las distintas definicines y cndicines aplicables a la elabración de ls requisits técnics de cbertura. 4.1 DEFINICIÓN DE VELOCIDAD DE DATOS Tant el cmprmis de velcidad para ls peradres que btuviern licencia en la banda de 800 MHz cm la Agenda Digital Eurpea establecen cm bjetiv alcanzar una cbertura que permita el acces a una velcidad de 30 megabits pr segund (Mbps) superir para el añ Es precis definir en qué cndicines se puede alcanzar dicha velcidad. La tendencia en trs países según se ha descrit en el apartad 3 es cnsiderar el bjetiv de 30 Mbps cm una velcidad máxima y relajar ls requisits cuand se refiere a una velcidad mantenida a l larg de un ciert perid de tiemp. Pr tra parte, en España se cuenta cn el antecedente de la definición del servici universal de acces de dats a 1 Mbps, que establece un bjetiv de velcidad referid a la velcidad media prmediada a l larg del día [15]. Para este mdel se ha ptad pr partir de una velcidad de pic, que se puede calcular cn mayr precisión dads ls parámetrs de transmisión de la estación base y cndicines de recepción, y estimar a partir de ésta las velcidades prmediadas alcanzables en función de la carga de la red y de las variacines de tráfic durante el día. Se cnsiderará pr tant que la velcidad de pic se deberá alcanzar en una red cn baja carga, entendiéndse cm tal aquella que tiene un únic usuari demandand servici en la célula que da cbertura, y en la que las células vecinas también tienen un nivel de carga baj, de frma análga a cm se define en trs países eurpes [18]. El prces de estimación de la velcidad en red cargada a partir de esta velcidad de pic se describe en el apartad TIPO DE ESCENARIO Este estudi se centra en el escenari en el que se desea frecer un servici de banda ancha en ubicacines fijas, generalmente viviendas, en entrns rurales en ls que n existen tras alternativas de acces. En este escenari es frecuente que ls brdes de célula, dnde se Página 24

25 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies encuentran las znas de más baja cbertura, se sitúen en las afueras del municipi en znas limítrfes entre municipis. Pr esta causa se han cntemplad en el mdel las características específicas de ls entrns rurales suburbans. Ests entrns tienen la característica de ser abierts y tener pca densidad de edificis, l que cnlleva que n se puedan aprvechar las ganancias de las técnicas MIMO pr multiplexación espacial así cm emplear mdels de prpagación de señal característics de entrn rural suburban para determinar el radi máxim de cbertura del servici. 4.3 TIPO DE TERMINAL Cm se ha cmentad anterirmente, en ls entrns de estudi ls niveles de señal en el brde de celda sn bajs, pr l que una slución empleada es la instalación de antenas exterires a las viviendas para acceder al servici. En el cas de LTE, el tip de equip rientad a actuar cm mdem en una ubicación fija se denmina CPE (Custmer premises equipment). Un ejempl de equip CPE cmercial se puede ver en la referencia [19]. A la hra de fijar uns requisits de cbertura es necesari cntemplar pr tant el escenari de que se emplee un móvil módem de dats estándar, en cuy cas, habrá unas pérdidas pr penetración en cas de encntrarse en el interir de un edifici, y también el cas de emplear una antena exterir, que elimina las pérdidas de penetración y aprta una ganancia de antena mayr. Ls niveles exigids y velcidades alcanzadas variarán lógicamente en cada cas. 4.4 DEFINICIÓN DE NIVEL DE SEÑAL REQUERIDA Aunque ls bjetivs de servici se suelen expresar en términs de velcidad frecida al usuari, en la práctica es difícil verificar el cumplimient de dichs bjetivs de velcidad cn medicines directas. En el estudi de ls requisits establecids en trs países se puede bservar que alguns de ells definen medidas de camp, per estas tienen que estar limitadas a ciert númer de ubicacines, dad el cste de desplazar un equip de medida a cada ubicación cncreta. Pr las raznes expuestas, el criteri más práctic se basa en slicitar a las peradras un infrme de cbertura, calculad a partir de la infrmación que dispnen de planta de red, ptencias transmitidas y mdels de prpagación, para uns determinads niveles de señal recibida, asciads a las cndicines de servici deseadas. La medida del nivel de señal recibida suele expresarse en valres de ptencia de señal del pilt, ya sea RSCP en cas de 3G RSRP en cas de 4G, debid a que ests niveles sn ls que usa el móvil cm referencia para seleccinar la red y célula a la que se cnecta. Sin embarg, la velcidad alcanzable pr el usuari está relacinada más directamente cn la ptencia dispnible para el canal de dats. Página 25

26 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies La relación entre la ptencia de pilt referencia y la del canal de dats es fija y cncida pr el móvil, ya que cm se ha indicad anterirmente el móvil debe ser capaz de estimar el CQI y pr tant el frmat de transprte de ls dats a partir de la ptencia que recibe de pilt. Sin embarg, esta relación es un valr de cnfiguración de la peradra que prbablemente sea distint en función del tip de estación base y zna en la que se presta cbertura. Pr este mtiv, a la hra de establecer este requisit, se ha cnsiderad que el nivel de señal más adecuad es la ptencia media en exterires del canal de dats (en dbm). Est permite cm ventaja adicinal emplear valres cmparables entre diferentes tecnlgías de acces radi (HSPA, LTE, etc.), n sujets a la distinta definición de señales de referencia RSCP y RSRP. Este nivel de ptencia del canal de dats se supne medid a pie de calle, en exterires, y lleva un nivel de cumplimient asciad cm se detallará en el próxim apartad. 4.5 DISPONIBILIDAD DE COBERTURA La definición de un requisit técnic de cbertura lleva asciad el establecimient de uns niveles de cumplimient. En general, ests niveles de cumplimient se definen cm un prcentaje de ubicacines tiemp en ls que se satisfacen ls bjetivs establecids. Sin embarg, ests niveles pueden hacer referencia a diferentes cncepts que cnviene distinguir: Dispnibilidad tempral. Ls valres de tráfic sprtad pr cada emplazamient varían a l larg del día según el perfil de us del servici. Ls recurss sn cmpartids entre tds ls usuaris, l que implica que las cndicines de servici que alcanza cada usuari variarán a l larg del día. En alguns países se define una dispnibilidad, definiéndse prcentajes de tiemp númer de hras cn alta carga en las que se miden las velcidades alcanzadas. Sin embarg, en el mdel que se incluye en este infrme se trabaja cn un balance de enlace basad en velcidades de pic. De este md, el cncept de dispnibilidad tempral queda englbad en cóm esta velcidad de pic se traduce en la velcidad media diaria, y n se empleará explícitamente cm requisit técnic. Prbabilidad de cbertura. Ls mdels de cbertura establecen un nivel medi en cada ubicación de acuerd a ls mdels de prpagación. Ests niveles están sujets a una variabilidad estadística debid a la variabilidad intrínseca a la prpagación radieléctrica y a que la adecuación de las medidas reales a ls mdels teórics nunca es perfecta. Pr esta razón, es impsible asegurar un nivel de cumplimient ttal y se define un prcentaje de cumplimient, aplicable a ubicacines y tiemp en ls que se miden uns niveles de señal superires a ls umbrales definids. Este es el cncept de nivel de cumplimient que se utilizará en el presente dcument. El cumplimient de una cbertura cn una prbabilidad determinada se traduce en la aplicación de uns márgenes de desvanecimient sbre ls valres medians de señal. Página 26

27 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Cabe destacar que ls niveles de cumplimient pueden depender del tip de servici de cliente. En ls cálculs realizads en este estudi se parte de una prbabilidad de cbertura del 90% para un servici a terminales estándar, y una más exigente del 95% cuand se esté freciend un servici de banda ancha a ubicacines fijas (cn CPE, pr ejempl) para suplir la carencia de trs medis de acces cm el ADSL la fibra óptica. N bstante el mdel permite utilizar trs valres. 4.6 BANDA DE FRECUENCIAS Y ANCHO DE LA BANDA El anch de banda dispnible es un factr determinante de la velcidad máxima alcanzable. En función de este anch de banda será necesaria una cierta eficiencia de bit pr herci para alcanzar la velcidad bjetiv, y esta eficiencia determina ls requisits de nivel de señal en recepción necesaris. Pr tant, el requisit de cbertura será distint en función del anch de banda dispnible. La banda de frecuencias empleada afecta a la capacidad de prpagación de la señal radieléctrica. Est impacta principalmente en las pérdidas de penetración en interires descritas en el apartad La cnsecuencia es que el nivel necesari de señal recibida será distint en función de la banda de frecuencias empleada, siempre que n se empleen antenas exterires a las viviendas. Del mism md, el requisit depende de si se emplean blques de frecuencias pareads para el servici de LTE en la mdalidad FDD, blques n pareads en la mdalidad de LTE TDD. En el cas de TDD habrá que emplear en el mdel el anch de banda destinad al enlace descendente. Aunque el mdel descrit en este dcument cntempla las variables mencinadas anterirmente, si n se indica l cntrari en ls ejempls que se describan en l sucesiv se asumirá un blque de frecuencias pareadas de 10 MHz en la banda de 800 MHz. 4.7 LTE- ADVANCED De las mejras características de LTE-Advanced, la agregación de prtadras influye de manera significativa en la metdlgía de definición de cbertura. Esta funcinalidad impsibilita la definición de un umbral únic de señal que garantice la velcidad deseada, al depender la velcidad alcanzada de la cmbinación específica de anch de banda y frecuencia empleada. Para una misma ubicación, la señal recibida en cada una de las bandas llegará cn un nivel diferente en función de la atenuación sufrida pr la señal en dicha banda. Pr ell, para pder realizar una definición de un requisit técnic en cas de dispner de agregación de bandas, el prcedimient cnsistiría en aplicar el mdel para cada una de las bandas, calculand las velcidades btenidas en cada banda y realizand una agregación psterir de velcidades en cada banda. La agregación de las velcidades alcanzadas en cada banda debe ser superir al bjetiv de velcidad final de usuari. Página 27

28 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies En cas de querer definir de manera inversa ls niveles requerids en cada banda partiend de la velcidad agregada en tdas ellas, la dificultad reside en cóm repartir esa velcidad agregada entre las bandas, existiend multitud de psibilidades y dificultand su definición. Página 28

29 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies 5 MODELO DE CÁLCULO DE ENLACE El mdel realizad es un cálcul clásic de balance de enlace descendente en el que se incluyen tdas las hipótesis relativas al tip de escenari y servici. Hay ds frmas de aplicar el mdel, tmand cm entrada el nivel de cbertura expresad cm ptencia media (explicar en margen de desvanecimient el tema de la distribución Gaussiana) en exterires del canal de dats y bteniend cm salida la velcidad media diaria; bien partir del requisit de velcidad y btener el nivel de cbertura necesari. A este infrme se adjunta una hja de cálcul en la que están dispnibles ambas versines tant para HSPA cm para LTE. En la Figura 5 se muestra el esquema seguid en ls cálculs del mdel, en el que se ha asumid pr simplicidad en la descripción el primer de ls ds enfques anterires. El esquema general es válid para ambas tecnlgías. La velcidad frecida al usuari está directamente relacinada cn la SINR alcanzada. Para calcularla es necesari btener tant la ptencia necesaria cm la interferencia más el ruid en recepción: - La ptencia en recepción se calcula cm la ptencia media a pie de calle a la que se le aplica un margen que permita asegurar el nivel de cumplimient cnsiderad (margen pr desvanecimient). Sbre esta ptencia se aplican las pérdidas pr penetración en interires y las ganancias asciadas al receptr (antena y ganancia MIMO). - La interferencia más el ruid se calcula a partir de la ptencia de ruid en el receptr incrementada pr un ciert margen de interferencia. Finalmente, se traduce la SINR en una velcidad de usuari máxima alcanzable, sbre la que se aplica un mdel de carga y de perfil diari del tráfic, para btener una velcidad de usuari media diaria. En la hja de cálcul se han añadid además ls parámetrs del transmisr y un mdel de prpagación en entrns rurales, l que permite btener una estimación del radi de cbertura. En ls siguientes apartads se detallan las particularidades que intervienen en el mdel para cada una de las tecnlgías. Página 29

30 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Figura 5: Esquema del mdel de cálcul del balance de enlace para 3,5G y 4G 5.1 DETALLE DEL MODELO DE CÁLCULO DE HSPA La Tabla 6 recge el mdel de cálcul de HSPA, particularizad para un nivel median en recepción de -90dBm, en dnde se incluyen las principales fórmulas que relacinan las distintas magnitudes. En ls apartads siguientes se detallan las particularidades de cada un de ls elements del mdel HSPA, y en el apartad 5.3 ls elements cmunes a ambas tecnlgías. El indicadr habitual para expresar el nivel de señal recibida en 3,5G es la ptencia recibida del pilt (CPICH), este nivel de señal de pilt se cnce cm RSCP (Received Signal Cded Pwer). La RSCP del CPICH se puede calcular a partir de la ptencia del canal de dats cnciend la diferencia entre ambs canales, de acuerd a la ecuación (3): ( ) ( ) [ ( ) ( )] (3) Igualmente esta relación se puede expresar en función de la atenuación sufrida entre transmisr y receptr: ( ) ( ) (4) Página 30

31 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Tabla 6: Mdel de cálcul de HSPA Parámetrs Generales Transmisr Umbral cbertura Recepción Requisits recepción Mdel prpagación A Frecuencia banda (MHz) 2100 B Anch de banda (MHz) 5 C % Ptencia canales cntrl y Incluye: CPICH, SCH, R99, HS-SCCH, etc, 20% dedicads Td except dats HSPA D % Velcidad hra cargada / media diaria 80% Depende del perfil diari (OFCOM: 80%) E Carga de HSPA hra cargada 75% Prcentaje de us de HSPA F Nº de usuaris simultánes en hra cargada G Ptencia máxima 44,7 H Ptencia CPICH 32 2,5 Mdel cla M/D/1 Otra cnfiguración típica de Pmax/CPICH es 43/32 I Ptencia transmitida (dbm) 44 Ptencia dispnible para HSPA: G(1-C) J Pérdidas en transmisr (db) 1 Cables, cnectres K Ganancia de antena transmisra (dbi) 18 L PIRE pr cnexión (dbm) 61 I-J+K M CPICH RSCP (dbm) -102 N Atenuación en exterires (db) 151 H-J+K-M O Pérdida pr penetración en interires (db) 0 17dB P Atenuación en interires (db) 151 N+O Q Ptencia media en exterir (dbm) -90 L-N R Ptencia media en interir (dbm) -90 Q-L S Ganancia de antena receptra (dbi) 3 T U V Ptencia media necesaria en recepción (dbm) Prcentaje de cbertura ubicacines brde de celula (%) Desviación típica desvanecimient (db) -87 R+S 90% 8 Ganancia ttal antena, incluye ganancia MIMO (0dB SISO, 3dB SIMO MIMO) W Margen pr smbra (db) 10,25 Gaussiana inversa: f(u,v) X Sensibilidad receptr (dbm) -98 T-W Y Factr de ruid (db) 7 Sistema receptr cmplet Z Ptencia de ruid (dbm) (dBm/MHz)+10lg(B)+Y AA Margen de interferencia (db) 3 AB Factr ensanchamient HSPA 16 12dB AC Es/N (db) 11,5 X+AB-Z-AA AD CQI alcanzable 15 CQI para cnseguir la tasa deseada AE Tasa alcanzable (Mbps) 1,5 AF Altura endeb (m) 35 AG Altura UE (m) 1,5 AH a(hm) 0 f(ag); 0 para AG=1,5 AI K ,3+33,9lg(f)-13,82lg(ht)-a(hm) AJ K1' 125 K1-2(lg(f/28)^2-5,4 Página 31

32 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies KPI AK K ,9-6,55lg(ht) AL Distancia (m) 5552 Atenuación = K1+K2*lg(d) AM Tasa pic alcanzable (Mbps) 1,5 f(ad) AN Tasa hra cargada (Mbps) 0,6 AM/F AO Tasa media diaria (Mbps) 0,7 AN/D Cnversión entre SINR y velcidad (tasa) alcanzable Se mdela el cmprtamient del canal descendente de 3,5G a través de la relación (SINR - CQI Tasa (bps)). Est permite abstraer el canal físic para pder así determinar la calidad requerida en el enlace que asegure una determinada tasa final bjetiv (bps) perand a una tasa de errr aceptable. La métrica directamente relacinada cn la velcidad btenida que define la calidad de un canal es la relación señal a ruid (SINR, Signal t Interference plus Nise Rati). El indicadr estandarizad pr el 3GPP para 3,5G para la medida de calidad del canal descendente en el receptr móvil es el CQI (Channel Quality Indicatr), el cual se reprta a la estación base para la elección del esquema de mdulación y cdificación para la transmisión del enlace descendente. El CQI elegid pr el terminal móvil fija un tamañ determinad de blque para la transmisión de tal manera que la cmunicación debe cumplir el requisit de tasa de errr de blque (BLER, Blck Errr Rate) menr del 10%. Este tamañ de blque (bits) será mayr cuant mayr sea este CQI (mejr calidad del canal), y determina la tasa máxima que se pdrá alcanzar en el enlace. Un ciert CQI determina un tamañ de blque en bits (TBS, Transprt Blck Size), l cual da lugar a una velcidad binaria, teniend en cuenta que se tiene una BLER del 10% y que el tiemp de transmisión del interval (TTI, Transmissin Time Interval) es de 2 ms, según la ecuación (5). ( ) ( ) ( ) ( ) (5) El CQI crrespndiente a un determinad frmat de transprte se mapea según la Tabla 7 de crrespndencia CQI-TBS que se recgen en la tabla 7.G de la referencia [20] que crrespnde a una categría 24 de terminal: Página 32

33 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Number f CQI value Transprt Blck Size Mdulatin Reference pwer adjustment NIR XRV HS-PDSCH 0 N/A Out f range QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM QAM 0 Tabla 7: Tabla de mape de CQIs en tamañ de blque TBS Cada CQI tiene su crrespndiente curva de relación BLER-SINR cm se puede ver en la referencia [21]. Fijand el bjetiv de una BLER del 10% se btiene la curva que especifica la SINR necesaria para cada CQI mstrada en la Figura 6. Dicha referencia supne un canal cn ruid blanc gaussian aditiv (AWGN), l cual implica asumir igualmente una interferencia de tip gaussian. Esta hipótesis se puede cnsiderar válida para este tip de entrn. Página 33

34 Estudi de requisits técnics que permitan caracterizar la cbertura cn tecnlgía LTE Tp ptimized Technlgies Figura 6: Mape CQI y SINR cumpliend una BLER del 10% La curva de la Figura 6 se puede expresar mediante la ecuación (6): { [ ] } (6) Aunque en el mdel se emplea un valr de CQI medi, en la práctica se tendrá una cierta distribución en trn a ese valr medi. Pr tant, al hacer la cnversión entre CQI y velcidad se está asumiend que la velcidad media será la que crrespnda al CQI medi. Est n es del td exact al n haber una relación lineal entre ellas, per en un escenari de ubicacines fijas y pc desvanecimient es una aprximación válida. A md de ejempl se ha aplicad esta metdlgía al cas de una tasa de 1 Mbps y una frecuencia de 2100 MHz cn un anch de banda de 5 Mhz. De la ecuación (5) se btiene un tamañ de blque requerid de TBS = 2223 bits. Este TBS crrespnde según la Tabla 7 cn un CQI = 13, ya que para asegurar 1 Mbps el CQI elegid debe ser el mínim que cumpla que el crrespndiente TBS asignad sea mayr igual al requerid para la tasa deseada. Un CQI = 13 aplicand la ecuación (6) se crrespnde cn una SINR requerida de 9,5 db. Página 34