Desafíos tecnológicos de las Comunicaciones Móviles

Desafíos tecnológicos de las Comunicaciones Móviles 1

PREMISA DE PARTIDA Las comunicaciones móviles tienen como objetivo de su evolución emular y aún superar las prestaciones de las redes fijas, aportando los valores añadidos de: Ubicuidad Movilidad de los que carece la red fija Ello se traduce en tres términos que han sido directrices del desarrollo: ANYWHERE ANYTIME ANYKIND 2

De aquí se siguen tres objetivos básicos que debe alcanzar la tecnología de móviles COBERTURA CAPACIDAD RECURSO? CALIDAD 3

El único recurso disponible para conseguir esos objetivos es el ESPECTRO RADIOELECTRICO Recurso natural de la Tierra. Limitado en su extensión práctica. Uniforme superficialmente: no trasladable. Por su coste y escasez debe optimizarse su utilización, mediante: Reutilización geográfica Teoría celular. Eficiencia espectral Modulaciones multinivel; codificación canal multiantenas. Por el carácter ubicuo de las comunicaciones móviles, la capacidad ha de expresarse como una densidad: ρ: usuarios/km 2 ; Erlang/km 2 ; b/s/km 2 4

PRINCIPIOS DE EVOLUCIÓN Y EXPANSIÓN DE LAS REDES MÓVILES Demanda: Densidad de usuarios : U (usu/km 2 ) Tráfico medio por usuario: T(b/s/usu) Recursos: Anchura de banda: B (Hz) Eficiencia espectral: E (b/s/hz) Objetivos: Superficie cobertura: S (km 2 ) Calidad: FER, VER Latencia reducida. 5

Capacidad ofrecida: B x E/S (b/s/km 2 ) Demanda global: U x T (b/s/km 2 ) Condición de equilibrio: B E Aumento de U y/o T Repuesta del operador: = U T Aumentar B: Nuevo espectro Sujeto a concesión. Elevada latencia Aumentar E: Nuevas tecnologías Sujeto a estandarización. Latencia alta S Reducir S: Más estaciones base, mayor tasa de traspasos y carga de señalización. Red fija más densa 6

Growth to date dominated by increasing cell count If we apply Cooper s law over the last 50 years we are looking at a growth in wireless capacity of perhaps 1,000,000 Allocating this growth between the axes of capacity looks roughly like this: (Origen: Agilent) 7

TEORÍA CELULAR 1. Acomodación de la cobertura a la demanda de tráfico: Superficie geográfica Radiación perfilada 2. Sistematización de la reutilización de la frecuencias según la interferencia admisible, cobertura limitada por interferencia. Cobertura jerárquica: Exterior amplia (macrocélulas) Exterior ceñida (microcélulas) Interior amplia (picocélulas) Interior acotada (femtocélulas) Radiación: Sectorizada (haces fijos) Dinámica (haces configurables) 8

RENDIMIENTO ESPECTRAL η Límite de Shannon para un enlace simple: η = R( b / s) BW ( Hz ) log 2 1 + S N + I S N + I = SINR : Factor de Geometría Celular En simulaciones con microcélulas se ha obtenido: 90% usuarios SINR 20;η 4,4 50% usuarios SINR 2,5; η 1,8 10% usuarios SINR 1,5; η 0,6 Hay que investigar técnicas que mejoren el rendimiento 9

(Origen: Agilent) 10

TECNOLOGÍAS MULTIANTENAS La utilización de múltiples antenas en transmisión y recepción permite una mejor utilización del canal radio términos de: Capacidad: mayor número de usuarios. Cobertura: mejora de la SNR. Tasa binaria. Eficiencia espectral. Reducción tasa de errores. Se consideran dos aspectos: Físico: Disposición de las antenas ( hardware ) Lógico: Procesado señales entregadas ( software ) 11

Alternativas de multiantenas: Beamforming. Potencia el haz en una o más direcciones concretas. Favorece el rechazo de interferencias. Diversidad de espacio Procesado de señal para combatir el multitrayecto: MRC Alamouti Procesado MIMO. Aprovechamiento del multitrayecto para multiplexación espacial. Se distingue entre: Trayectos radio. Capacidad de los trayectos y del enlace conjunto. 12

La diversidad de espacio proporciona una ganancia de array que se traduce en una mejora de la relación señal/ruido. Con diversidad de N ramas, la SNR tras la MRC es SNR MRC = N SNR SNR : Relación señal/ruido media de cada rama La ganancia de array coincide con el orden de diversidad N Para M t antenas de transmisión y M r antenas de recepción el valor máximo de N es M t x M r. 13

Para una ganancia de array N, se tiene: R < C = B log 2 1+ N E N b o R B R: Tasa binaria C: Capacidad teórica B: Anchura de banda E b : Energía por bit N o : Densidad espectral de la perturbación (ruido+interferencia) 14

Entonces E N b o 1 N 2 ( R / B) 1 R / B Si se desea R/B>1 (alta eficiencia espectral) E b /N o puede ser demasiado alta, aún con diversidad espacial: 15

MIMO (Multiple Input Multiple Output) Utilización de múltiples antenas en transmisión y recepción para conseguir multiplexación espacial, aprovechando la variabilidad espacial del canal radio. Se requiere que el multitrayecto sea lo suficientemente rico para que las antenas de recepción puedan separar las señales procedentes de las diferentes antenas de transmisión, así como una SNR alta. La separación de los flujos de datos que comparten banda, se basa en la decorrelación de las múltiples señales recibidas en presencia de multitrayecto. 16

MIMO permite crear L trayectos paralelos desacoplados entre transmisor y receptor. L = grados de libertad del canal L = min (M t,m r. ). M t, M r. : número de antenas transmisoras, receptoras, respectivamente. C L = B i= 1 log 2 1 + 2 Pi λ i W bit / s Una vez obtenidos los diferentes trayectos espaciales desacoplados, hay que determinar que potencia de transmisión se asigna a cada uno para maximizar la capacidad. B: anchura de banda. P i = potencia asignada al trayecto i W: potencia de ruido λ i : autovalor de la matriz del canal 17

En condiciones óptimas, con MIMO y E b /N o elevada, la capacidad puede llegar a ser: C = L B.log. 2 1+ E N b o R B La capacidad aumenta linealmente con el número de grados de libertad. MIMO proporciona alta capacidad con anchura de banda limitada, es decir elevada eficiencia espectral. Se reduce la E b /N o necesaria para un R/B dada: E N b o 2 ( R / B)/ L 1 R / B 18

Comparación valores de E b /N o (db) CON DIVERSIDAD ORDEN M CON MIMO ORDEN L M = 1 L = 2 L = 4 L = 1 L = 2 L = 4 R/B = 1 0-3 -6 0-3,8-7,2 R/B = 5 7,9 4,9 1,9 7,9-0,3-5,6 R/B = 10 20,1 17,1 14,1 20,1 4,9-3,3 19

En un sistema MIMO pueden conseguirse simultáneamente las ganancias por diversidad y multiplexación espacial con algunas limitaciones. Zheng y Tse, han demostrado que, con ciertas condiciones de codificación, la ganancia de diversidad teórica posible, con M t, M r antenas de transmisión/recepción y L grados de libertad (ganancia mux espacial L), es: (M t - L ) (M r L) Es decir del total de recursos utilizados M t, M r se detraen L para conseguir grados de libertad y quedan M t L y M r L para la diversidad. 20

CARACTERIZACIÓN DEL CANAL RADIOMÓVIL La caracterización comprende la descripción de los fenómenos físicos que inciden en la explotación del canal: La radiopropagación, que asegura la cobertura radio. Las interferencias, consecuencia de la reutilización de las frecuencias para optimizar la capacidad y de la coexistencia con otros sistemas radioeléctricos. Las metodologías de cálculo de cobertura básica, requieren unos límites de precisión: En una macrocélula de 10 km de radio puede ser admisible un error de 500 m., pero no lo es en el caso de una microcélula de 300 m. de longitud. 21

La cobertura, tal y como se conoce y aprovecha en los sistemas radiomóviles, es posible gracias a la propagación multitrayecto. Sin embargo el multitrayecto -necesario- genera DESVANECIMIENTOS de la señal recibida que ocasionan: Atenuación intensa o incluso pérdida de la señal. Distorsión, que afecta a la calidad de recepción e, indirectamente, a la capacidad. El fenómeno del multitrayecto tiene una triple variabilidad selectiva en espacio, tiempo y frecuencia. En espacio (SSF): afecta a la posición de los terminales. En frecuencia (FSF): afecta a una porción del espectro de la señal. En tiempo (TSF): afecta a una parte de la ráfaga de datos o de la trama temporal. Sólo se producen en canales radio con movilidad. Es importante conocer o estimar la coherencia espacial, temporal o frecuencial del desvanecimiento por su incidencia en el diseño de los sistemas móviles. 22

Tradicionalmente, se ha procurado contrarrestar los efectos del desvanecimiento selectivo en redes de banda estrecha (BW 1MHz) con tres técnicas combinadas: Diversidad, de Recepción, Transmisión o ambas. Ecualización digital. Codificación de canal con entrelazado. A partir de la 3G, en los sistemas de banda ancha, se aprovechan los ecos de la señal multitrayecto con técnicas de diversidad mediante: Estructura de receptores RAKE (en WCDMA-UMTS). Tecnologías MIMO (en LTE). El RAKE es, en realidad, una diversidad de recepción con MRC (Maximal Ratio Combining), que mejora la SNR de recepción y, en consecuencia, la cobertura. El MIMO está orientado a la mejora de la capacidad (tasa binaria) de recepción. 23

Características dispersivas del canal radio para capacidad y calidad Dispersión del retardo: Delay Spread (D) Valor rms de los retardos de los ecos de multitrayecto Efectos: En el dominio del tiempo: ISI (Inter Symbol Interference). Incide en el tamaño de los ecualizadores y en OFDM en el tiempo de guarda. En el dominio de la frecuencia: FSF (Frequency Selective Fading). La incidencia del FSF se valora mediante la Anchura de Banda de coherencia B c. 1 Bcα D B c = 1 2πD comparándola con la anchura de banda de transmisión BW B c >BW Canal con desvanecimiento plano B c <BW Canal con desvanecimiento selectivo 24

Dispersión Doppler: Doppler Spread (f d ). Valor rms de la dispersión Doppler de cada eco, función de la velocidad del móvil, del ángulo trayecto-rayo y de la frecuencia. Para un rayo: Efectos: f d i ( Hz) = v ( km / h) f ( MHz) cosα /1080 i En el dominio del tiempo: TSF (Time Selective Fading) En el dominio de la frecuencia: distorsión espectral, perdida de ortogonalidad en OFDM Incide en el ritmo de actualización de los ecualizadores. El TSF determina la proporcionalidad inversa entre tasa binaria R (Mbit/s) y velocidad de desplazamiento v (km/h). Ello se debe a la limitación de la velocidad de reacción de los algoritmos de compensación del desvanecimiento temporal. Por ello en los estándares se consideran varios grados de movilidad y modelos de canal. Usuario estacionario Movilidad baja (peatonal) Movilidad alta (vehicular) 25

La incidencia del TSF se valora mediante el tiempo de coherencia T c T c = 9 16 π f d Comparándolo con la duración temporal de un elemento de señal (bit, ráfaga, trama,..) T o T c >T o Canal con desvanecimiento plano en el tiempo. T c <T o Canal con desvanecimiento selectivo en el tiempo. 26

1000 MARCO EVOLUTIVO A 4G: TECNOLOGÍAS ACCESO 4G research target Envolved 3G 3.9G HSPA 802.20 WCDMA Rel4 3G EVOLUTION 1xEVDV 1xEVDO EDGE Evolution EDGE CDMA2000 1X Pedrestian Vehicular WIMAX 802.16e Mobility and coverage WIMAX 802.16-2004 UMTSTDD WLAN 802.11n WLAN 802.11a,g WLAN 802.11b Stationary 0,1 1 10 100 Data rate (Mbps) 27

(Origen: Agilent) 28

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LECCIONES APRENDIDAS DE 3G Elevada complejidad del Núcleo de red en 3G en: Equipos Protocolos Señalización Lo que se traduce en costes y latencia altos. Uso poco eficiente de la anchura de Banda. Se ocupan 5 MHz cualquiera que sea la tasa binaria. Prevalencia inicial de CS, aunque en 3,5G ya se da protagonismo a PS. 30

Buen desempeño (performance) de los turbo códigos. Ventajas notorias de la planificación (Scheduling). Buen desempeño de la técnica AMC (Adaptive Modulation and Coding) Ventajas de la técnica ARQ inteligente : HARQ. (Hybrid-ARQ) Además de incorporar esas características de HSPA+, en LTE se exprime al máximo la tecnología radio. Por ello: Se utilizan nuevas técnicas de modulación y multiacceso: OFDMA y SC-FDMA. Se emplea la tecnología MIMO para aprovechar la propagación multitrayecto, a fin de aumentar el rendimiento espectral. Ambas tecnologías hacen un uso masivo del procesado digital de señales (DSP). 31

Planificación (scheduling) dependiente del canal En sistemas de evolución de 3G, la transmisión de tráfico se realiza mediante un canal compartido por los usuarios. El planificador (scheduler) de la base controla a qué usuario se transmite (DL) o se le permite transmitir (UL). Es habitual que la planificación se haga teniendo en cuenta el estado del canal radio de cada usuario: enfoque oportunista. Ello requiere realimentación por parte del móvil. 32

Algoritmo de planificación más representativos Planificador de round-robin Planifica a los usuarios secuencialmente. No tiene en cuenta el estado del canal radio. Poco interesante. Planificador de máxima tasa Planifica al usuario que permita alcanzar mayor tasa binaria (o SINR) instantánea. Enfoque oportunista puro: se planifica a cada usuario cuando su canal de propagación es mejor que el de todos los demás. Maximiza la capacidad, pero no garantiza equidad: los usuarios más lejanos pueden no ser planificados casi nunca. Planificador Proportional Fair Planifica al usuario que permita alcanzar mayor tasa binaria instantánea respecto a la tasa media que obtenido anteriormente. Equivale a una normalización de los canales de los usuarios: planifica a cada usuario en los máximos relativos al nivel medio de ese usuario. Compromiso capacidad - equidad entre usuarios. 33

Técnica HARQ El proceso de IR (Incremental Redundancy) trabaja así: En el primer envío se transmiten los bits originales (systematic bits, según el turbocódigo de tasa 1/3 utilizado en LTE ) más cierta redundancia. En caso de error, en la primera retransmisión se envían menos systematic bits y más bits de redundancia, que se procesan combinándolos con los del primer envío. Y así sucesivamente, hasta la correcta decodificación del paquete enviado. En LTE existen cuatro posibles combinaciones de systematic bits y bits de redundancia, que son los RVs (Redundancy Version). 34

Incremental Redundancy (ilustración) 35

Tecnologías Subyacentes en LTE. Resumen 36

TECNOLOGIAS DE BANDA BASE PARA LTE Tecnología de acceso radio OFDM En OFDM se realiza la transmisión de la información en paralelo, mediante múltiples subportadoras, cada una de las cuales soporta una fracción de la tasa binaria total R. La BW se divide en N c subcanales sustentados por N c subportadoras no solapadas (ortogonales). Cada una transmite con una tasa R/N c ocupando la anchura BW/N c. Un símbolo OFDM es el conjunto de toda la información de las subportadoras, con tasa R, anchura de banda BW y periodo T simb. 37

Justificación de OFDM Transmisión digital banda ancha convencional con FSF: S(f) FSF -Bw/2 El FSF afecta a una parte del espectro y produce distorsión de la señal. Se contrarresta mediante ecualización. Bw/2 Ecualización de TODO el espectro, aunque hay una amplia porción no afectada por FSF. Ecualizador MUY complejo, no viable prácticamente en el dominio de la frecuencia. Se ecualiza en el dominio del tiempo pero el hardware es complejo, con elevado consumo. f 38

Transmisión digital OFDM FSF f Sólo se ecualizan las subportadoras afectadas por el FSF. Para cada subportadora (banda estrecha) el desvanecimiento es plano. Viable la ecualización en el dominio de la frecuencia que es individual para cada subportadora. FDE (Frequency Domain Equalization) 39

En consecuencia la OFDM es muy robusta frente al FSF. La FDE requiere una estimación de la respuesta impulsiva del canal. Para ello se transmiten símbolos piloto o de sondeo conocidos por el receptor en ciertas subportadoras y determinados instantes de tiempo. Puede también eliminarse la interferencia entre símbolos con tiempos de guarda. Otras ventajas de OFDM: Flexibilidad de espectro, variando el número de subportadoras. Posibilidad de multiacceso en frecuencia. Simplificación de los receptores. Idoneidad para su implementación con técnicas DSP. 40

Para la protección frente a la interferencia entre símbolos (ISI) se habilita un tiempo o periodo de guarda, por lo que el tiempo útil de símbolo es: T u = T Símbolo - T g Durante el tiempo de guarda, el receptor no lee la información, por ello las colas de los ecos de un impulso transmitido que caen dentro del tiempo de guarda no afectan al símbolo siguiente (no hay ISI). El tiempo de guarda de debe ser menor o igual que la dispersión de retardo del canal radio. En este tiempo se transmite el Prefijo Cíclico (CP), que facilita la ecualización en frecuencia y asegura la ortogonalidad entre subportadoras en canales dispersivos en el tiempo Esta transmisión reduce la potencia disponible para la transmisión de la señal útil. 41

LTE (E-UTRA): características portador radio Interfaces radio Tecnología DL: OFDMA Tecnología UL: SC-FDMA Modulación de datos DL: QPSK, 16 QAM, 64 QAM UL: BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM Cabezales RF: MIMO DL: 2 Tx / 2 Rx UL: 1 Tx / 2 Rx Codificaciones Turbocódigos Canales No hay canales dedicados 42

Tasas de bits máximas instantáneas para BW = 20 MHz. En DL... 100 Mb/s. (5 bits/hz) En UL... 50 Mb/s. (2,5 bits/hz) Mantenimiento de la tasa en el perímetro celular. Flexibilidad de espectro: E-UTRA deberá funcionar con diferentes anchuras de banda: 1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz Para UL y DL, en bandas emparejadas (paired bands) y no emparejadas (unpaired bands). Modos Frequency Division Duplex (FDD) y Time Division Duplex (TDD) 43

Tecnologías LTE-A Las principales son: Flexibilidad del multiacceso OFDMA/SC-FDMA. Posibilidad de mayor anchura de banda Agregación de portadoras. Agregación de espectro. Tasa máxima, flexibilidad de espectro. Técnicas MIMO avanzadas Transmisión hasta 8 capas en DL. SU-MIMO y hasta 4 capas en UL. Nuevas matrices de precodificación. Tasa máxima, capacidad, caudal en el borde celular. 44

Transmisión/recepción multipunto coordinada CoMP Transmisión CoMP en DL. Transmisión CoMP en UL. Caudal en el borde celular, cobertura, flexibilidad de despliegue. Reducción del retardo Procesado paralelo AS/NAS para reducir el retardo en el plano C. Regeneración (Relay) El regenerador tipo 1 crea una célula separada y aparece a los UE Rel 8 como un enb Rel 8. Cobertura, despliegue económico. 45

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Coordinación multipunto CoMP Tiene como objetivo el mantenimiento de tasas binarias altas en el borde celular. Consiste en la conexión múltiple de UE con dos o más enbs para mejorar la transmisión/recepción en el borde y asegurar la tasa binaria. 47

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ALGUNAS LÍNEAS ACTUALES DE I+D EN ACCESO MÓVIL Consolidación de MIMO en redes reales. Redes Heterogéneas. Radio cognoscitiva (CR). Redes autoconfigurables (SON). Radio definida por software (SDR). 50

BIBLIOGRAFIA R. Agustí y otros LTE: Nuevas tendencias en Comunicaciones Móviles Fundación Vodafone España, 2010. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband Academic Press, 2011. Harry Holma, Antti Toskala LTE for UMTS, OFDMA and SC-FDMA based radioaccess. J.Wiley 2009 51