1 Estudio de las características técnicas de LTE y su nivel de concordancia con los requerimientos de IMT-avanzado establecidos por la Unión Internacional de Telecomunicaciones. Día tras día los requerimientos de ancho de banda de los sistemas móviles aumentan debido a las necesidades de las personas de permanecer continuamente conectadas a redes sociales, juegos en línea, actividades laborales, académicas o simplemente por ocio, la tercera generación 3G de las redes móviles permitió que las personas lograran satisfacer estas necesidades pero como era de esperar las redes móviles 3G tienden a quedarse cortas para cumplir con los requerimientos de los usuarios. El estándar europeo GSM, aunque no el mejor, sin lugar a dudas es el que ha triunfado entre los operadores principalmente por características como: facilidad para ser implementado en economías de escala, la tarjeta SIM que permite intercambiar de equipo fácilmente y la gran variedad de dispositivos móviles celulares que se pueden adquirir. Los servicios móviles celulares comenzaron con solo servicios de voz y evolucionaron rápidamente hasta los servicios de datos, su éxito radica en el hecho que esta tecnología marcó un hito en la historia al convertir la telefonía en un servicio personal por medio de la ubicuidad, convirtiéndose en un elemento de la vida diaria actual. Los servicios de datos lograron su apogeo máximo durante la tercera generación 3G a través tecnologías como UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), CDMA (Code Division Multiple Access) y sus posteriores mejoras HSPA (High Speed Packet Access). Cada cambio de tecnología fundamentalmente lo que busca es incrementar la capacidad de manejo de datos para satisfacer las necesidades de los nuevos servicios como IPTV (Internet Protocol Internet) logrando disminuir los tiempos de latencia y aumentando la capacidad de transmisión tanto en el enlace ascendente (uplink) como en el enlace descendente (dowlink), la Figura 1-1 muestra los requerimientos de ancho de banda y latencia que los servicios tradicionales y novedosos exigen a las redes móviles. LTE es el resultado natural de la evolución de las redes de radio GSM (Global System for Mobile communications) dentro del grupo 3GPP, este grupo "The 3rd Generation Partnership Project Agreement, fue creado en 1998 y su alcance original era producir reportes y especificaciones técnicas para sistemas móviles en redes de núcleo GSM evolucionado y las tecnologías de acceso de radio que estas soportaban como Acceso de Radio Terrestre Universal (UMTS Terrestrial Radio Access, UTRA) en modo duplex por división de frecuencia y dúplex por división en el tiempo. Luego su alcance se extendió y ahora incluye desarrollo y mantenimiento de las especificaciones técnicas y reportes técnicos de GSM, incluyendo las tecnologías de acceso de radio avanzadas como GPRS (General Packet Radio Service) y EDGE (Enhanced data Rates for GSM Evolution) 2. La tercera generación UMTS basada W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) ha sido desplegada en todo el mundo. Con el fin de mantener este sistema competitivo en el futuro, en 2 Tomado de http://www.3gpp.org/about-3gpp
Capitulo 1 5 2004 el 3GPP comienza a trabajar en un proyecto para definir la evolución de largo plazo de la tecnología celular UMTS. Todos los trabajos asociados con el E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) y la E-UTRAN ((Evolved Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) fueron finalmente referenciados como el proyecto LTE. (1) Figura 1-1: Comparación latencia vs ancho de banda en servicios tradicionales y modernos (2) Figura 1-2: Evolución de las tecnologías de acceso de radio en el 3GPP El 3GPP simultáneamente comenzó a trabajar en otro proyecto llamado evolución de arquitectura del sistema (System Architecture Evolution SAE) que define una nueva red de núcleo de paquetes completamente IP conocida como núcleo de paquetes evolucionado (Evolved Packet Core EPC). La combinación E-UTRA y E-UTRAN conforma es el sistema de paquetes evolucionado (Evolved Packet System EPS). Usualmente y dependiendo del contexto los términos LTE, E-UTRA, EUTRAN, SAE, EPC y EPS se usan indistintamente pero lo correcto sería utilizar EPS para hablar del sistema completo, pero normalmente se utiliza la referencia LTE/SAE o simplemente LTE (1), para fines explicativos utilizaremos el término LTE para referirnos al sistema completo. Ver Figura 1-3 para entender la relación de los diferentes términos mencionados. La Figura 1-4 muestra la evolución temporal de la tecnología LTE/SAE. Figura 1-3: Explicación proyecto EPS (1).
6 Capítulo 1 Figura 1-4: Evolución de la tecnología LTE (1). LTE ha tenido un camino de evolución bien definido, por eso toda la descripción de la tecnología que se realizará en adelante está referenciada al lanzamiento 9 de esta tecnología es decir LTEla tecnología 4G durante ITU-R Working avanzado que en octubre de 2010 fue aceptada como Party 5D,, habiendo completado satisfactoriamente 4 pasos de 7 del proceso IMT-Avanzado 3 en la ITU-R completando y excediendo todos los criterios establecidos por la ITU, y finalmente fue ratificada como la tecnología IMT-Avanzado el pasado 22-2323 de noviembre de 2010 en Ginebra, Suiza 4. 1.1 Especificaciones del Estándar LTE El lanzamiento 7 de las especificaciones LTE incluye el estudio en fases de LTE. Este estudio arrojo muchos documentos y reportes técnicos de los cuales el TS 25.913 y el TS 25.912 son bien conocidos. Pero en el lanzamiento 8 los mismos reportes están organizados como se muestra en la Tabla 1-1 y dichas series se conservan en el lanzamiento 9. Tabla 1-1. Especificaciones de LTE para la tecnología de radio E-UTRA y LTE-avanzado Índice de especificación TS 36.1XX TS 36.2XX TS 36.3XX TS 36.4XX TS 36.5XX TS 36.8XX y 36.9XX Descripción Requerimiento de equipos. Terminales, estaciones base, repetidores Capa física Capas 2 y 3. Control de acceso al medio, control del enlace de radio y control de los recursos de radio Infraestructura de comunicaciones. UTRAN. Incluyendo estaciones base y entidades de gestión movilidad Pruebas de conformidad Reportes técnicos que contienen información de referencia y conocimiento 3 International Mobile Telecommunications 4 http://www.3gamericas.org/index.cfm?fuseaction=page§ionid=352&printfriendly=
Capitulo 1 7 Las especificaciones SAE se encuentran en la series 22, 23,24 y 33, de las cuales se listan algunas especificaciones en la Tabla 1-2 allí TS se refiere a especificación técnica y TR reporte técnico. 5 Tabla 1-2. Especificaciones LTE para SAE Índice de especificación TS 21.202 TS 21.905 TS 23.002 TS 23.003 TS 23.401 TR 23-882 TS 24.301 TS-29.272 TR 29-804 TS 33.203 TS 33.210 TS 33.401 TS 33.402 TS 33.102 Descripción Subsistema IP Multimedia IMS Vocabulario de las especificaciones 3GPP Arquitectura de red Terminales, red núcleo. Numeración direccionamiento e identificación Mejoras en General Packet Radio Service (GPRS) para la E-UTRAN Evolución de la arquitectura del sistema (SAE) Protocolo NAS para EPS. Sistema de paquetes evolucionado; entidad de gestión de movilidad MME 3GPP System Architecture Evolution (SAE): Seguridad 3G: accesos seguros para servicios basados en IP Seguridad 3G; Seguridad del dominio de la RED (NDS); seguridad en la capa de red IP System Architecture Evolution (SAE); seguridad de la arquitectura System Architecture Evolution (SAE); aspectos de seguridad para accesos no 3GPPP Seguridad 3G; seguridad de la arquitectura. 1.2 Requerimientos de diseño de LTE-avanzado 6. El primer lanzamiento de LTE fue denominado internamente en el 3GPP como LTE-release 8, para continuar con el consecutivo de la evolución de las tecnologías 3GPP ver Figura 1-2. Este primer lanzamiento estaba cerca ya de cumplir con los requerimientos de IMT-Avanzado pero no los satisfacía completamente. LTE-release 8 soporta una nueva interfaz con anchos de banda escalables para la portadora de 1.4MHz a 20 MHz Los esquemas de acceso múltiple son OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) para el enlace descendente y SC-FDMA (Single Carrier Frequency-division multiple access) para el enlace ascendente, logrando obtener 300Mbps en el enlace descendente y 75 Mbps en el enlace ascendente. También maneja una baja latencia de 10ms en el plano de usuario y en el plano de control de 100ms, es decir pasar de estado sin disponible (idle) al estado activo en este tiempo. Por último la eficiencia espectral en los borde de la celda se aumenta en un factor de 2-3 veces comparado con HSPA es decir el rel-6 (3). El lanzamiento 9 (rel-9) denominado LTE-avanzado fue diseñado específicamente para cumplir con los requerimientos de la ITU para IMT-avanzado y con los requerimientos de los operadores de redes GSM para la E-UTRA. Finalmente LTE-avanzado fue presentado ante la UIT en octubre de 2009 cumpliendo con los requerimientos establecidos por esta organización, y finalmente aceptado como la tecnología IMT-Avanzado en noviembre de 2010. Con base en (4) y (5) se listan los siguientes requerimientos técnicos para LTE-Avanzado: Velocidad pico de datos: este parámetro deberá cumplir con 1Gbps para el canal descendente y 500 Mbps para el canal ascendente 5 Consultar en http://www.3gpp.org/-specification-numbering, para mayor detalle de las especificaciones SAE 6 LTE-avanzado también es referenciado como LTE release-9 o LTE lanzamiento 9.
8 Capítulo 1 Latencia: La latencia es la suma de los retardos temporales dentro de una red 7, para un sistema LTE se manejan dos tipos de latencia la del plano de usuario y la del plano de control, en la Figura 1-5 se observa de forma gráfica la relación entre los tiempos de latencia Figura 1-5. Requerimientos para las transiciones de estado (4). - Latencia del plano de control: La latencia en el plano de control toma en cuenta los retardos introducidos por la RAN (Radio Access Network) ) y por la CN (Core( Network) y excluye las latencias sobre las interfaces S1 8 estado el sistema sin carga. Se debe lograr un tiempo de transición del modo idle (con direccionamiento IP asignado) al modo conectado menor a 50ms incluyendo el establecimiento del plano de usuario. Así mismo el tiempo de transición desde un estado dormido a un estado activo debe ser menor a 10ms. - Latencia del plano de usuario: el retardo en el plano de usuario se define en términos del tiempo de transito desde que un paquete está disponible en la capa IP ya sea el equipo de usuario UE o el nodo de borde de la RAN hasta que este paquete está disponible en la capa IP del EU o el nodo de borde de la RAN, siendo el nodo borde de la RAN el nodo que proporciona la interfaz RAN hacia el núcleo de la red (5). Se requiere obtener una latencia máxima de 5ms en el plano de usuario en condiciones sin carga como por ejemplo un paquete IP pequeño: 0 bytes de datos + encabezado IP. - Capacidad del plano de usuario: : el sistema deberá ser capaz de soportar como mínimo 300 usuarios activos sin recepción discontinua DRX en un ancho de banda de 5MHz Eficiencia espectral pico: es la más alta velocidad de datos normalizada por el total del ancho de banda de la celda asumiendo condiciones libre de errores, cuando todos los recursos de radio disponibles para el enlace correspondiente (ascendente o descendente) son asignado a un solo UE. La eficiencia espectral pico para el enlace descendente debe ser de 30bps/Hz y para el enlace ascendente debe ser de 15bps/Hz.. Asumiendo que la configuración de antenas es 8 x 8 o menos para el enlace descendente o 4 x 4 para el enlace ascendente. Eficiencia espectral promedio: se define como la tasa de transferencia efectiva (throughput)( agregada de todos los usuarios normalizada por el ancho de banda total de la celda dividido por el número de celdas se mide en b/s/hz/cell. 7 Definición extraída de Wikipedia 8 Conexión S1: es la que va entre la estación base enb y la entidad de gestión de movilidad MME, estos términos se aclaran más adelante
Capitulo 1 9 Tabla 1-3: Eficiencia espectral promedio (4). Configuración de antena UL 1x2 1.2 2x4 2.0 DL 2x2 2.4 4x2 2.6 4x4 3.7 LTE-avanzado [bps/hz/cell] Transferencia efectiva (throughput) de usuario en el borde de la celda: es definida como el 5% de la función distribución acumulada de la tasa de transferencia efectiva (throughput) de usuario normalizada con el ancho de banda total de la celda. Tabla 1-4. Transferencia efectiva (throughput) de usuario en el borde de la celda (4). Configuración de antena LTE-avanzado [bps/hz/cell/user 9 ] UL 1x2 0.04 2x4 0.07 DL 2x2 0.07 4x2 0.09 4x4 0.12 Capacidad VoIP: El numero de usuario de voz IP (VoIP), este requerimiento ya fue resuelto desde el lanzamiento 8 y cualquier combinación de antena cumple los requerimientos establecidos por la UIT, ver (6) para el detalle de los resultados. Movilidad: El sistema soportara movilidad entre redes celulares hasta 350 Km/h. Tabla 1-5. Especificaciones de movilidad en LTE-avanzado Velocidad Movilidad Calidad Observaciones 0-15 Km/h Baja movilidad optimizada 15-120 Km/h Alta movilidad Soportada con alto rendimiento 120-350 Km/h Muy alta movilidad Soporte funcional 350-500 Km/h Bajo consideración Los efectos en los aplicativos de tiempo de real no deben ser superiores a los de la GERAN 10 cuando hay handover Cobertura: el sistema debe estar enfocado en cumplir los requerimientos de cada uno de los apartados anteriores de la siguiente manera: 9 Medida para 10 usuarios uniformemente distribuidos en la celda 10 GERAN: network Access Radio EDGE GSM, red de acceso de radio EDGE GSM es decir redes anteriores del sistema GSM
10 Capítulo 1 Tabla 1-6. Especificaciones de cobertura en LTE-Avanzado Cobertura Por encima 5 Km Por encima de 30 Km Por encima de 100Km Características Debe satisfacer al 100 % cada uno de los requerimientos de diseño de LTE Puede haber degradación en los anteriores requerimientos de diseño excepto en los de movilidad. No está tomado en cuenta en la especificación. Mejoras adicionales en Multimedia Broadcast and Multicast Service MBMS 11 : fue introducido en el lanzamiento 6, esta característica provee una forma para transmitir simultáneamente contenido idéntico desde una solo fuente a muchos equipos de usuario en uno o más sectores (7). los requerimientos extras son: Flexibilidad del espectro: LTE-avanzado debe estar en capacidad de operar en diferentes bandas de frecuencia y con diferentes tamaños, hasta 100 MHz, debe soportar FDD y TDD en bandas pareadas y no pareadas. Escenarios de coexistencia: LTE-avanzado está diseñado para mantener la coexistencia con diferentes tecnologías 3GPP: - Coexistencia y co-localización en la misma área geográfica con canales adyacentes GERAN/UTRA/E-UTRA. - Coexistencia y co-localización en la misma área geográfica entre operadores con canales adyacentes. - Coexistencia y/o solapamiento de espectro adyacente en las fronteras de los países. - Operación de la E-UTRA Rel-8 y la E-UTRA avanzada en el mismo espectro. Escenarios de interoperabilidad: LTE avanzado debe manejar handover con RAT 12 anteriores Otras características - Reducir el CAPEX 13 y OPEX 14 en la red de retorno (Backhaul) - Reducir el consumo de potencia, la complejidad y el costo del sistema y de los dispositivos móviles debe ser razonable - Convergencia. Eficiencia en el desempeño de varios tipos de servicios 1.3 Acceso de radio terrestre universal evolucionado E-UTRA y red de acceso terrestre universal evolucionado E- UTRAN Disminuir la latencia ha sido uno de los factores en los que más se ha trabajado en el diseño de redes móviles celulares y por supuesto LTE no ha sido la excepción, latencias menores a 5ms se 11 MBMS es un servicio ofrecido a través de redes móviles GSM y UMTS, su principal aplicación es la TV móvil fundamentalmente lo que busca es lograr la interactividad en redes que normalmente son en un solo sentido por ejemplo la TV tradicional. 12 RAT: Tecnología de acceso de radio. 13 CAPEX: Costos de adquisición: son las inversiones realizadas, tanto iniciales como de mantenimiento y mejora, por parte de una compañía. 14 OPEX: Costo de ejecución: normalmente se refiere a los costo de operación de los equipos, mantenimiento electricidad.