LTE desde el punto de vista técnico: un par de apuntes. Ignacio Berberana. Tecnologías

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1 LTE desde el punto de vista técnico: un par de apuntes Ignacio Berberana Tecnologías Long Term Evolution (LTE) surge del acuerdo de colaboración en tecnología de telefonía móvil 3GPP. Profundice en el impacto que puede tener en su futuro este proyecto a través de este interesante artículo. Descargar archivo de audio (15:29 min / 14,01 MB) This article in English Más que realizar una explicación de la tecnología todo lo exhaustiva que permita el espacio disponible, mi intención es llamar la atención sobre un par de aspectos, eso sí, tecnológicos, de LTE que pueden tener un impacto importante sobre su futuro. Afortunadamente para el que esté interesado en profundizar en la tecnología, ya empiezan a ser, si no abundantes, sí suficientes las buenas descripciones de la misma. Hace unos días, llegó a mis manos un informe de JP Morgan titulado "The power of mobile broadband". Prueba fehaciente de que, aunque la brevedad es casi siempre buena, no se puede decir lo que requiere más de cien páginas en cinco o seis. Al menos, con el mismo nivel de calidad y claridad. Este supongo que es el tipo de informe que utilizan los directivos de las empresas de telecomunicaciones para tomar sus decisiones estratégicas. Aún así, este tipo de informes, que de nuevo supongo que desde un punto de vista económico/financiero y de análisis de mercado resultan impecables, presentan algunas lagunas desde el punto de vista de lo se podría denominar el análisis tecnológico. Esos detalles que pueden parecer poco relevantes o que se asumen que el desarrollo tecnológico acabará resolviendo, pero que pueden determinar el grado de éxito de un sistema o de un estándar.

2 Y lo cierto es que ni en este informe (ni en otros) se considera, ni siquiera se cita, uno de los factores más importantes que pueden determinar el éxito o fracaso de una tecnología radio, como pueden ser los amplificadores de potencia. Quienes consideren que esto de los amplificadores es un capricho de tecnólogos, deberían tener en cuenta que hoy pocos discuten que una de las razones del éxito de GSM reside en el tipo de amplificadores que utiliza (o dicho de otro modo, en haber seleccionado un esquema de modulación que permite la utilización de amplificadores de bajo coste)(*)(*). Esto es algo que puede volver a ocurrir. En parte porque el camino que nos ha llevado a diseñar los nuevos sistemas de comunicaciones móviles, y que a continuación se resume, lo hace inevitable: Para estos nuevos sistemas de comunicaciones móviles se ha optado como estrategia de, llamémoslo, "enganche" la promesa de que serán capaces de soportar velocidades binarias similares a las que se ofrecen en los sistemas de banda ancha cableados: decenas sino cientos de megabits por segundo. Para poder soportar estas velocidades es imprescindible utilizar un ancho de banda mayor al que se usa en los sistemas actuales, así como modulaciones más complejas y otras técnicas complementarias, de las que ya hemos hablado aquí, como MIMO. La utilización de anchos de banda más elevados favorece la adopción de técnicas de modulación diferentes a las de 3G: OFDM en vez de CDMA. Básicamente, lo que OFDM proporciona es un mecanismo relativamente sencillo para combatir el efecto de la dispersión del retardo independientemente del ancho de banda utilizado (*). Este tipo de razonamiento no es original de LTE, sino que fue ya fue seguido por IEEE a la hora de desarrollar el estándar que ha servido de base para, primero, el WiMAX fijo y, luego, el WiMAX móvil. Por eso tenemos una idea de los inconvenientes que el mismo presenta. Los sistemas de modulación OFDM y SC-FDMA Primero unas breves nociones de cómo funciona un sistema OFDM (entre los que, además de LTE, WiMAX y Wi-Fi, están la TV digital terrestre DVB-T o los sistemas ADSL) (*). OFDM es el acrónimo de Orthogonal Frequency División Multiplexing. Se trata de un sistema multiportadora, en el que la señal original de tasa binaria R se transmite multiplexada en N flujos paralelos de datos de tasa R/N, cada uno de los cuales se modula con una frecuencia diferente o subportadora. Estas subportadoras se escogen de forma que sean ortogonales entre sí; es decir, que no se interfieran. Para ello, es necesario que durante el periodo de duración del símbolo en todas las subportadoras en las que se ha dividido la señal original, se transmita un número entero de ciclos. De esta forma se minimiza el ancho de banda utilizado sin generar interferencia entre subportadoras. En el dominio de la frecuencia, la señal tiene un aspecto como el que se representa en la siguiente figura, en el que la señal se transmite a través de ocho subportadoras. Uno de los principales problemas de OFDM es el impacto que tiene sobre los amplificadores de potencia. Los amplificadores son dispositivos que, idealmente, deberían funcionar de forma lineal, pero que cuando la señal de entrada es relativamente elevada, dejan de hacerlo. La distorsión que se produce en la respuesta del amplificador genera errores en la señal transmitida e interferencias en las bandas adyacentes.

3 Esto se traduce en dos tipos de problemas. Por un lado, para soportar las altas tasas binarias objetivo, es necesario utilizar modulaciones multinivel, como 16QAM y 64QAM, que requieren que el amplificador opere en la zona en la que su comportamiento es más lineal, alejado de la potencia de saturación. Mientras que con una modulación QPSK (que soporta la transmisión de dos bits por hertzio) la distorsión de la señal soportable, medida mediante el parámetro EVM (Error Vector Magnitude) puede ser del 10%, con 64 QAM (que soporta 6 bits por hertzio) sólo puede ser del 2,5% (*). Por otro, debido al uso de una modulación multiportadora, la potencia en cada instante es muy variable y depende de cómo se combinen los símbolos que se transmiten por cada una de las subportadoras. El resultado es que la relación entre la potencia media y la potencia de pico es muy elevada. Esto es fácil de comprobar al observar cómo es la señal en el dominio del tiempo. En la siguiente gráfica se representa un símbolo de 8 bits modulado con ocho subportadoras BPSK (BPSK es un tipo de modulación en el que se transmite 1 bit por baudio y en el que se distingue el 0 del 1 por una diferencia de fase de 180 grados en la señal sinusoidal). Si las sinusoides de todas las subportadoras coincidieran en un máximo simultáneamente la señal resultante tendría una amplitud N veces la de cada portadora. La relación entre la potencia de pico y media en db teórica sería diez veces el logaritmo decimal de N (en la práctica es menos). Por tanto, el problema aumenta cuando lo hace el ancho de banda utilizado y, por tanto, el número de subportadoras (generalmente potencias de 2, aunque algunas subportadoras no se utilizan; en LTE van de 72 para un ancho de banda de 1,4 MHz a 1200 para el de 20 MHz). La consecuencia es que los amplificadores deben trabajar en un régimen de baja eficiencia, medida como la relación entre la potencia de la señal a la salida del amplificador y la potencia que se la he de suministrar al mismo (al parámetro que comúnmente se utiliza para caracterizar esta eficiencia se le

4 denomina power added efficiency o PAE). Esto se debe a que si la potencia media de la señal que debe entregar el amplificador es, por ejemplo de 250 milivatios y la relación entre la potencia media y de pico es de 10 db, se debe utilizar un amplificador cuya potencia de saturación sea de 2,5 vatios. Comparados con amplificadores cuya potencia de saturación sea menor, su consumo de potencia será mucho más elevado. Estos problemas afectan fundamentalmente a los terminales móviles. La situación actual es que mientras un amplificador para un móvil GSM tiene una eficiencia que puede superar el 50%, el de un móvil WCDMA puede rondar ya el 40%. El de un terminal WiMAX, en el mejor de los casos, como máximo llega al 20-25%. Esto quiere decir que para conseguir transmitir con una potencia en el conector de la antena de, pongamos, 24 dbm, se consume una potencia superior a 1,2 vatios. Lógicamente tiene un impacto sobre la vida de las baterías en un dispositivo portátil. El retraso que se está observando en el lanzamiento comercial de dispositivos WiMAX móvil portátiles tiene mucho que ver con estos problemas de eficiencia en el consumo de potencia (esta misma semana Intel ha presentado sus nuevas MPUs Centrino 2 para ordenadores portátiles, con Wi-Fi n pero sin WiMAX). También lo tiene, por supuesto, con el hecho de que el consumo de potencia del resto de elementos de los dispositivos portátiles se ha incrementado significativamente con la incorporación de pantallas a color, procesadores de mayor capacidad, dispositivos de almacenamiento, otras tecnologías radio integradas en los mismos como Wi-Fi o Bluetooth, etc. Por supuesto, estos mismos problemas se dan en las estaciones base, pero en este caso se dispone de mayor flexibilidad para implementar mecanismos que permitan solventar estas limitaciones. De hecho, en los últimos años se ha conseguido aumentar la eficiencia de los amplificadores con la introducción de la arquitectura Doherty, que comprende dos amplificadores, uno principal para la portadora, que actúa siempre, y otro auxiliar, que permite linealizar al primero cuando este empieza a operar en zonas no lineales. Aquí, de nuevo, WiMAX se enfrenta con una dificultad (que podría darse también para LTE): la falta de un conjunto de frecuencias de operación y anchos de banda claramente establecidos, lo que impide una mayor optimización de los componentes. Por esta razón, en la especificación de LTE se adoptó para el enlace ascendente (el que va del terminal a la red) un tipo de modulación denominado SC-FDMA (SC es el acrónimo, un tanto confuso, de Single Carrier), que, por un lado, mantiene las ventajas de OFDM a la hora de combatir el efecto del multitrayecto y, por otro, minimiza los requisitos sobre los amplificadores de potencia. Por otro lado, la relación de potencia media a pico en SC-FDMA no crece con el ancho de banda utilizado. En definitiva, una reducción de este parámetro que, dependiendo de quien lo estime, puede ser de entre 2 y 5 db (estos 5 db de disminución del backoff suponen en el ejemplo que comentábamos más arriba que la potencia de saturación del amplificador sería de menos de 800 milivatios). Como dato curioso, en 3GPP los primeros que propusieron el uso de SC-FDMA para el enlace ascendente fue ETRI, el organismo de

5 investigación estatal de Corea que también estuvo involucrado en el desarrollo de WiBro, la alternativa coreana al WiMAX móvil con el que finalmente ha convergido. La tecnología SC-FDMA no está libre de problemas. Por ejemplo, de cara a la implementación de receptores complejos por máxima verosimilitud, OFDMA (que es un método de acceso asociado con OFDM en el que varios usuarios pueden transmitir durante el mismo símbolo en distintas subportadoras, utilizado en el enlace ascendente de WiMAX móvil) presenta ventajas, en principio, evidentes. La flexibilidad de OFDMA a la hora de asignar recursos también es mayor. Esto, en la práctica, se traduce en la posibilidad de poder soportar tasas binarias más elevadas. En aquellas circunstancias en las que esto sea posible. Lo que nos lleva a otro punto sobre el que no se insistirá nunca lo suficiente: la necesidad de distinguir entre las velocidades binarias máximas que proporcionan estos sistemas y la capacidad efectiva de los mismos. Velocidades binarias máximas versus capacidad efectiva Es cierto que LTE puede (o podrá) proporcionar velocidades binarias muy elevadas, pongamos 50 Mbit/s, pero solo a un usuario que esté en buenas condiciones de propagación e interferencia y durante un tiempo limitado que dependerá de la demanda que existe en la célula que lo atiende, entre otros factores (hay otros, como el tipo de terminal, la capacidad e la red de transporte que conecta a la estación base con el resto de la red, si el usuario se mueve y a qué velocidad lo hace, etc.). Pero eso no quiere decir que podrá proporcionar 50 Mbit/s a todos los usuarios independientemente de donde se encuentren. De hecho, la capacidad agregada de una célula en condiciones normales de operación (si hemos de creer los resultados de las simulaciones) rondará los Mbit/s para un ancho de banda de 10 MHz, y esa es la capacidad que habrá que repartir entre todos los usuarios que estén conectados a la misma. Afortunadamente, gracias a algunas de las características técnicas de LTE, como la capacidad de asignar los recursos con gran rapidez, en intervalos de 1 milisegundo, los usuarios pueden tener la "ilusión" de que sí están recibiendo o transmitiendo con una alta tasa binaria. Esto requiere, por su parte, que no transmitan y reciban todo el tiempo (o que el volumen de información a transferir no sature la capacidad del enlace). Si es así, si por ejemplo, hay diez usuarios con unos requisitos de capacidad media de 1 Mbit/s y la capacidad de la célula es de 10 Mbit/s, el mecanismo de asignación de recursos puede conseguir (en función de cómo sea el patrón de generación de tráfico) que cada usuario reciba o transmita sus datos a la máxima velocidad posible durante un porcentaje relativamente elevado del tiempo. Es decir, que aunque la tasa efectiva neta por usuario sea de 1 Mbit/s, la tasa instantánea cuando se transmite un bloque de información puede ser de 10 Mbit/s con una alta probabilidad. Esta capacidad de asignación rápida de recursos es también la que permite al sistema aprovechar mejor la variabilidad tanto en el tiempo como en frecuencia del canal de los enlaces entre la estación base y los terminales, asignando los recursos a aquellos que están en mejores condiciones, y obtener el máximo partido de los mecanismos de retransmisión híbridos. Conclusiones Estamos en definitiva ante dos formas distintas, LTE y WiMAX, de intentar de alcanzar una misma meta: compatibilizar los objetivos de alta tasa binaria y latencia reducida con una complejidad y coste de los terminales razonables y una experiencia de usuario satisfactoria. En LTE se ha tomado la decisión de sacrificar en parte las posibles prestaciones del sistema con el uso de SC-FDMA para hacerlo viable comercialmente a más corto plazo. En el caso de WiMAX se ha apostado por definir un estándar que optimice las prestaciones, con la esperanza de que la tecnología evolucionará los suficientemente deprisa como para resolver los problemas técnicos que ello implica. El problema de esta última opción es que mientras esto sucede se ha perdido parte de la ventaja que suponía disponer de un estándar finalizado desde hace varios años. Autor: Ignacio Berberana. Telefónica I+D.

6 «Artículo publicado en el boletín interno de Telefónica ekiss nº 66» (15:29 Descargar archivo de audio min / 14,01 MB)