LICENCIATURA DE INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES

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1 LICENCIATURA DE INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: REDES MÓVILES DE CUARTA GENERACIÓN (TECNOLOGÍA 4G LTE) INTEGRANTES: TITO OSORIO, CHRISTIAN JESÚS ACEVEDO DONATO, VÍCTOR HUGO PÉREZ BADA, SALVADOR PÉREZ SERRANO, LUISA PÉREZ SILVA, OSCAR DOCENTE: ING. VÍCTOR MORADO CAMPUS COYOACÁN 2014

2 1. INTRODUCCIÓN CUARTA GENERACIÓN DE COMUNICACIONES MÓVILES En el mundo de la telefonía móvil se está en continuo crecimiento y no se para de introducir nuevas tecnologías para ofrecer a los usuarios un mejor servicio. Después de haber pasado por 1G, GSM, 2G, GPRS, 3G, UMTS y la 3.5G, HSPA, ahora estamos ante la llegada de la última generación, la 4G, que podríamos definir como all-ip donde se busca un sistema que permita conjugar una capacidad multimedia con una movilidad plena. Con LTE (Long Ter Evolution) se introduce una gran variedad de novedades con los anteriores estándares, pero la mayor novedad es que por primera vez, todos los servicios, incluida la voz, sean soportados por el protocolo IP. Las velocidades que se pueden llegar a conseguir en la interfaz radio con LTE también aumentan respecto a la última generación, llegando a un rango de 100 Mbps y 1 Gbps. En este trabajo, se presentan en los sucesivos apartados la arquitectura del sistema LTE, la red de acceso y la red troncal, las tecnologías de transmisión del nivel físico que se utilizan en el enlace descendente (OFDMA) y ascendente (SC-FDMA), la técnica Multi- Antena (MIMO) y se describirá también las características principales de la interfaz radio del sistema. 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES - Proporciona una alta tasa de datos, baja latencia y optimización de paquetes, con una tecnología de acceso de radio con un ancho de banda flexible. - Su nueva arquitectura permite soportar, en movimiento, un tráfico de conmutación de paquetes, con garantía de calidad de servicio. - No está basado en WCDMA (Wide Code Division Multiple Access) al igual que UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), en el dowlink se usa OFDMA y en el uplink se usa SC-FDMA, proporcionando ortogonalidad entre usuarios, reduciendo la interferencia y mejorando la capacidad de la red. - Permite flexibilidad en el espectro, es decir, tiene alta eficiencia espectral.

3 - Está centrada totalmente en base a protocolos IP, alcanzándose las velocidades de acceso entre 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una calidad de servicio (QoS) de punta a punta de alta seguridad para permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar, con el mínimo costo posible. 3. OBJETIVOS Uno de los principales objetivos de esta tecnología es proporcionar una velocidad, tanto de descarga como de subida de archivos, muy alta en comparación con las alcanzadas con las tecnologías actuales. De manera formal, los principales objetivos del LTE son los siguientes: - Obtención de una mayor velocidad de transmisión, pudiendo llegar a los 100 Mbps de descarga y a los 50 Mbps de subida. - Disminuir el retardo hasta conseguir un total menor de 10 milisegundos y unos tiempos iniciales de establecimiento de comunicación inferiores a 100 milisegundos. - Conseguir una eficiencia espectral 3 veces mejor que la del HSPA (High-Speed Packet Access, combinación de tecnologías posteriores y complementarias a la 3 generación de telefonía móvil). - Mejorar para los servicios de difusión (broadcast) para permitir servicios de radiodifusión y televisión móvil en tiempo real con una calidad aceptable para todos los usuarios. - Flexibilidad de espectro para disponer de anchos de banda variables según el servicio y el uso de diversas bandas de frecuencia según las características de cada zona. Para alcanzar la consecución de estos objetivos se están planteando arquitecturas de red con tendencia a simplificar lo máximo posible la jerarquía, hablando de estructuras planas. En estas, la radio cobra un gran protagonismo, ya que se debe asumir funciones

4 que actualmente se hallan distribuidas en otras plataformas. La siguiente figura, muestra un ejemplo de arquitectura plana de red: Arquitectura de red plana 4. ARQUITECTURA DEL SISTEMA LTE 4.1. AQUITECTURA GENERAL DE LOS SISTEMAS CELULARES En una arquitectura de un sistema de comunicaciones celular se pueden identificar 3 elementos principales: - Equipo de usuario: dispositivo que permite al usuario el acceso a los servicios de la red. Este tiene una tarjeta inteligente (tarjeta SIM Subscribe Identify Module) que contiene información necesaria para poder conectarse a la red (a través de la interfaz de radio) y hacer uso de los servicios que proporciona el proveedor. - Red de acceso: parte del sistema que realiza la comunicación y transmisión radio con los equipos de usuario para proporcionar la conectividad con la red troncal. Gestiona los recursos radio disponibles para ofrecer los diferentes servicios eficientemente. Está formada por estaciones base y, dependiendo de la generación, por equipos controladores de estaciones base. - Red troncal: parte del sistema encargado del control de acceso a la red celular. Los equipos que conforman esta red tienen funciones de conmutación de circuitos, routing, base de datos, etc ARQUITECTURA GENERAL DEL SISTEMA LTE Se la denomina Evolved Packet System (EPS). En este caso, se divide el sistema en las siguientes 3 partes: equipo de usuario, red de acceso (E-UTRAN) y red troncal (EPC).

5 Otra característica de LTE es que se contempla también el acceso a sus servicios a través de UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles de tercera generación) y GSM (Grupo Especial Móvil estándar mundial para teléfonos móviles digitales). También mediante otras redes de acceso, como CDMA2000, Mobile WiMAX, redes , etc.). La red física que se utiliza en LTE, para interconectar todos los equipos de la red (red de transporte), es una red IP convencional. En la infraestructura de red LTE se contará con la presencia de elementos propios de redes IP, tales como routers, servidores DHCP, servidores de DNS, switches, etc RED DE ACCESO EVOLUCIONADA: E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) Aquí la única entidad de red es la estación base, que en esta generación se denomina evolved NodeB (enb). La enb integra todas las funcionalidades de la red de acceso. La red de acceso E-UTRAN ya no requiere de la presencia de un equipo controlador (RNC), sino que solo de estaciones base que proporcionarán conectividad entre usuarios y la red troncal EPC.

6 El enb tiene 3 interfaces de comunicación: con los usuarios, con la red troncal y con otro enb. E-UTRAN Uu es la interfaz que permite conectar al usuario con el enb usando el canal radio. Funciones y protocolos para envío de datos y control de interfaz se implementan en la enb. A la red troncal se conecta a través de la interfaz S1 que, a su vez, se divide en 2: S1- MME (plano de control, protocolos para gestionar la interfaz) y S1-U (plano de usuario, protocolos para envío de tráfico de usuario a través de la interfaz). La otra interfaz existente es la X2, usada para conectar una enb con otra. Con esta interfaz se puede intercambiar tanto mensajes de señalización como tráfico de usuarios cuando estos se desplazan de un enb a otro. Los enbs se pueden comunicar usando el protocolo de señalización SS7 sobre IP RED TRONCAL DE PAQUETES EVOLUCIONADA: EPC (Evolved Packet Core) Esta red ha sido concebida con el propósito de brindar un servicio all-ip, es decir, conectividad IP. El núcleo de esta red está formado de 3 entidades: - MME (Mobility Management Entity): elemento principal del plano de control de la red LTE. Todo terminal registrado y con acceso a través del E-UTRAN tiene una entidad MME asignada. Autentica y autoriza el acceso de usuarios a través del E-UTRAN. Gestiona la señalización necesaria para establecer, mantener, modificar y liberar los servicios portadores. Gestiona la movilidad de usuarios en modo idle (terminales registradas en la red pero sin conexión de control con el E-UTRAN).

7 - Serving Gateway (S-GW): es la paralela de plano de usuario entre E-UTRAN y la red troncal EPC. Todo usuario registrado tiene asignado una entidad S-GW a través de la cual lleva a cabo su plano de usuario. Proporciona punto de anclaje en la red EPC aun cuando el terminal se mueve entre enbs. Almacena temporalmente los paquetes IP de usuarios en caso de tener terminales en modo idle. Encamina el tráfico de usuario para dirigir tráfico de subida hacia el P- GW correspondiente y tráfico de bajada hacia el enb.

8 - Packet Data Network Gateway (P-GW): proporciona conectividad entre la red LTE y redes externas. Un paquete IP generado en la red LTE es invisible en una red externa. Un usuario tiene asignada, como mínimo, una entidad P-GW. Aplica reglas de uso de la red y control de tarificación a los servicios portadores que tenga establecidos el terminal. Asigna dirección IP de un terminal en una determinada red externa. Actúa como anclaje para gestión de movilidad entre LTE y redes externas no 3GPP Proyecto Asociación de 3 Generación (WiMAX, WiFi, CDMA2000, etc.). Procesa el tráfico IP asociando cada paquete IP con el usuario y servicio portador EPS correspondiente. Asimismo, en la red troncal 2 elementos importantes, los cuales son los siguientes: - Función de Políticas y de Cobro de Recursos (PCRF): responsable de la Política y de Control de Cobro (PCC). Toma decisiones sobre cómo manejar los servicios en términos de calidad de servicio. Proporciona información al P-GW y al S-GW; y les envía normas PCC cada vez que un nuevo subscriptor se va a configurar. También establece normas PCC basada en la petición de la función de aplicación (AF).

9 - Servidor de Subscriptores Locales (HSS): representa la base de datos de suscripción para todos los usuarios permanentes. Registra la ubicación del usuario en el nivel de nodo visitado de la red de control, como el MME. Almacena información referente al perfil de abonado y contiene información sobre los servicios que son aplicables al usuario. Interactúa con los MME, es decir, es capaz de contactar todos los MME en toda la red, donde a los UEs en cuestión se les permite moverse IP MULTIMEDIA SUBSYSTEM (IMS) Subsistema que proporciona mecanismos de control necesarios para la prestación de servicios de comunicación multimedia, que están basados en la utilización del protocolo IP, a los usuarios de la red LTE. Se estructura en 3 capas: - Capa de transporte: proporciona el encaminamiento de los flujos IP entre terminales y demás elementos de la red. - Capa de control: aquí se encuentran elementos especializados en la gestión de sesiones e interacción con redes telefónicas convencionales. - Capa de aplicación: aquí se encuentran los servidores de aplicación que albergan la lógica y datos asociados a los servicios proporcionados a través de IMS EQUIPOS DE USUARIO Equipo que permite al usuario conectarse a la red LTE y hacer uso de los diferentes servicios ofrecidos por esta. El equipo de usuario (User Equipment) contiene 2 elementos básicos: - Módulo de subscripción de usuario (SIM/USIM): está asociada a un usuario y es quien lo identifica dentro de la red. Está separada de la ME, para permitir al usuario cambiar de terminal sin tener que cambiar de identidad. - Equipo/terminal móvil (ME): aquí se integran las funciones de comunicación con la red celular y funciones que permiten interacción del usuario con los servicios que ofrece la red. Considera 2 entidades funcionales: Terminación móvil (MT): funciones propias de la comunicación. Equipo terminal (TE): funciones de interacción con el usuario.

10 5. TECNOLOGÍAS DE NIVEL FÍSICO: OFDMA, SC-FDMA Y MIMO 5.1. OFDMA Técnica de modulación de acceso múltiple usada en el enlace descendente en el sistema LTE. Ofrece la posibilidad de acomodar varias transmisiones simultáneas correspondientes a diferentes flujos de información al viajar en sub-portadoras diferentes. - Ventajas: diversidad multiusuario, diversidad frecuencial, robustez frente al multi-trayecto, flexibilidad en la banda asignada, elevado grado de utilización de la banda asignada, sencillez de implementación en dominio digital. - Desventaja: susceptibilidad frente a errores en frecuencia SC-FDMA Técnica de modulación usada en el enlace ascendente en el sistema LTE. Se basa en principios similares al OFDM, pero realizando una pre-codificación de los símbolos previa al proceso de transmisión OFDM. Esto se hace para reducir variaciones en la potencia instantánea.

11 El modelo distribuido proporciona mayor diversidad frecuencial, ya que la señal se distribuye entre portadoras separadas. Destacamos también cómo en el mecanismo de multiplexación de transmisión de diferentes usuarios se obtienen transmisiones que ocupan bandas frecuenciales diferentes, lo cual se logra a través de DFTs de diferentes tamaños MIMO Usa múltiples antenas tanto para transmitir como para recibir. Tiene las siguientes características: - Permite que una transmisión de datos a tasa elevada pueda dividirse en múltiples tramas más reducidas, y cada una de estas pueda ser modulada y transmitida a través de antenas diferentes en un momento determinado (usando la misma frecuencia de canal en todas las antenas). - Debido a las reflexiones por multi-trayecto, en recepción la señal a la salida de cada antena es una combinación lineal de múltiples tramas de datos transmitidas por cada una de las antenas de transmisión. - En el receptor se usan algoritmos para separar las tramas de datos, lo cual permite multiplicar la tasa de transmisión y aumentar el rango de alcance. - Requiere la existencia de un número de antenas idéntico a ambos lados de la transmisión.

12 6. CAPA FÍSICA DE LA INTERFAZ DE RADIO Se basa en la utilización de técnicas de acceso múltiple OFDMA en el enlace descendente y SC-FDMA en el enlace ascendente. En los dos casos, la separación entre subportadoras es fija e igual a 15 khz. A continuación, se muestra el número de subportadoras en la canalización del sistema LTE: Está diseñada para que opere en las bandas altas de UHF, es decir, por encima de los 450 MHz y hasta los 3.5 GHz. El estándar define hasta 40 posibles bandas de operación para trabajar en modo duplexión por división en frecuencia (FDD) o en modo duplexión por división en el tiempo (TDD). Los posibles esquemas de modulación para el enlace descendente son: QPSK, 16-QAM y 64-QAM. Y para el enlace ascendente son: QPSK, 16-QAM y 64-QAM (dependiendo de la capacidad del terminal móvil).

13 6.1. TRAMA FDD Cada trama FDD es de 10 ms de largo y consta de 10 sub-tramas. Cada sub-trama contiene 2 slots. Aquí en enlace ascendente y el descendente usan la misma estructura a pesar de usos de espectro diferentes TRAMA TDD Se muestra un ejemplo en la siguiente figura. Este ejemplo se compone de dos medias tramas de 5 ms para una duración total de 10 ms. Las sub-tramas consisten de un enlace ascendente o descendente, o la transmisión de una sub-trama especial que contiene el enlace ascendente y descendente de slots de tiempo piloto (DwPTS y UpPTS) separadas por un periodo de transmisión de guardia (GP). 7. CALIDAD DE SERVICIO (QoS) Así como se definió una arquitectura para QoS extremo a extremo en UMTS, con la aparición del sistema evolucionado de paquetes (EPS) se hace también necesario definir una serie de parámetros y mecanismos adecuados para así poder garantizar una calidad de servicio en este nuevo sistema. EPS tiene mejoras considerables en cuanto a la calidad de servicio en relación a los sistemas 3GPP que lo preceden ARQUITECTURA DEL SERVICIO DE LA PORTADORA EPS Para EPS se define claramente una arquitectura con atributos y funciones para lograr una calidad de servicio punto a punto.

14 Una calidad de servicio punto a punto implica que debe haber un servicio de portadora EPS así como de portadora externa, esta última con el fin de poder soportar servicios desde y hacia nodos externos a la red PORTADORA EPS Es un concepto a través del cual se identifican los flujos de paquetes que reciben un mismo tratamiento en cuanto a la calidad de servicio entre el equipo terminal (UE) y el Gateway PDN-GW. Está compuesta por 3 elementos: - Portadora S5/S8: implementado por un túnel que transporta paquetes entre S- GW y PDN-GW. - Portadora S1: implementado por un túnel que transporta paquetes entre S-GW y el enb. - Portadora de radio (U-ETRAN Uu): implementado por una conexión con protocolo RLC (Radio Link Control) entre el enb y el UE. El flujo elemental de datos en EPS es conocido como SDF (Service Data Flow). Este flujo está compuesto por: IP de origen, IP de destino, puerto de origen, puerto de destino e identificación de protocolo sobre IP. Es decir, sirve para determinar punto de inicio y fin del flujo, así como la aplicación o servicio que está en uso.

15 7.3. PARÁMETROS DE CALIDAD DE SERVICIO La portadora EPS está caracterizada por los siguientes parámetros: - Prioridad de asignación y retención (ARP): es usado en casos de congestión y que se deba decidir cuales portadoras son preservadas y cuales desechadas. - Tasa de bits garantizada (GBR): aplicable solo a portadoras que requieren calidad de servicio garantizada, como el servicio de voz. - Tasa de bit máxima (MBR): con esto se establece un límite para las tasas de bits de los servicios ofrecidos. - Identificador de clase de calidad de servicio (QCI): usado dentro de la red de acceso como referencia a una serie de parámetros que controlan el tratamiento de los paquetes a través de los distintos nodos de la red. PDB: Presupuesto de retraso de paquetes. PLR: Tasa de pérdida de paquetes.

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