Principios generales de la arquitectura E-UTRAN. 2.2.1
En TS 36.401 se enuncian los principios generales de la arquitectura E-UTRAN y sus interfaces:
• División lógica entre redes de señalización y de transporte de datos.
• Las funciones de E-UTRAN y EPC (Evolved Packet Core) están totalmente separadas de las funciones de transporte. Los esquemas de direccionamiento empleados en E- UTRAN y EPC no están sujetos a los esquemas de direccionamiento de las funciones de transporte. El hecho de que algunas funciones de E-UTRAN o EPC residan en el mismo equipo que otras funciones de transporte, no significa que éstas sean parte de E-UTRAN o EPC.
• La movilidad en la conexión RRC está completamente controlada por E-UTRAN.
• Al definir las interfaces E-UTRAN se adoptó el siguiente principio: la división funcional a través de las interfaces deberá tener el menor número de opciones posible.
• Las interfaces deben estar basadas en un modelo lógico de la entidad controlada a través de dichas interfaces.
• Un elemento físico de red puede implementar múltiples nodos lógicos.
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La metodología de trabajo del 3GPP consiste en organizar los reportes técnicos (TR) y las especificaciones técnicas (TS), en documentos oficiales llamados Releases. Estos documentos pueden contener actualizaciones y mejoras a las normativas vigentes o constituir nuevos estándares de comunicaciones móviles.
Arquitectura. 2.2.2
La arquitectura general de E-UTRAN está descrita en los documentos TS 36.300 y TS 36.401 del 3GPP. Esta estructura se distingue de UMTS por el aplanamiento y la eliminación de nodos intermedios como el RNC o el SGSN.
E-UTRAN está formada por un conjunto de eNB (Evolved B Node), los cuales se interconectan mutuamente mediante la interfaz X2. Cada eNB es conectado a la red del EPC a través de la interfaz S1. En el plano de usuario, la interfaz S1 termina en la pasarela SAE-GW, mientras que en el plano de señalización, esta termina en el nodo MME (Mobility Management Entity). En la UTRA evolucionada, los eNB son puntos terminales hacia los UE (User Equipment), tanto para el plano de usuario como para el de control (3GPP, 2010d). La figura 3.1 del Anexo C muestra la arquitectura general de la red de acceso radio.
A través de la interfaz S5, la pasarela SAE-GW puede dividirse en dos nodos separados, llamados S-GW (Serving Gateway) y PDN-GW (Public Data Network Gateway).
El S-GW es el nodo que termina la interfaz del plano de usuario hacia la red de acceso radio. Para cada terminal de usuario asociado con el EPC, hay un único S-GW asignado en cada momento, que actúa como punto de anclaje local para la movilidad entre redes 3GPP. Por su parte, PDN-GW es el nodo que termina la interfaz del plano de usuario hacia las redes públicas de datos. Si un usuario está accediendo a múltiples redes PDN, puede haber más de un PDN-GW asignado a él, actuando como punto de anclaje para movilidad hacia redes no-3GPP y aplicando las políticas de utilización de red para el tráfico de usuario. En el núcleo de red, también se implementa una entidad de señalización exclusivamente: el nodo MME, la cual permite gestionar la movilidad e interconexión con otros accesos de red. El MME también realiza labores de autenticación y autorización, rastreo de usuarios en modo inactivo y señalización no ligada al acceso. El hecho de implementar un elemento de red separado para la señalización, facilita a los operadores la posibilidad de dimensionar la señalización y el tráfico de manera independiente. Una de las ventajas fundamentales de esta arquitectura de red es que permite una total interconexión e interoperabilidad entre redes 2G y 3G, sin la necesidad de implementar unidades de adaptación adicionales.
Como elemento distintivo, la solución LTE/SAE es una red puramente IP y soporta un único dominio de conmutación de paquetes. Esta arquitectura IP facilita la introducción de servicios IP multimedia a través del sistema IMS (IP Multimedia Subsystem), estandarizado por el 3GPP como plataforma de control de servicios y sesión basada en SIP (Session Initiated Protocol), que proporciona aplicaciones multimedia sobre diferentes accesos de red (3GPP, 2010e).
Por tanto, la arquitectura de red LTE/SAE es completamente coherente con el fenómeno de convergencia de red que se evidencia en las comunicaciones actuales. Este fenómeno se caracteriza por la interconexión de distintos tipos de accesos de red (accesos TDM, banda ancha fija, accesos móviles 2G/3G, WiFi, WiMAX, etc.) mediante un núcleo común basado en la plataforma IMS, que permite soportar cualquier aplicación sin atender al tipo de terminal ni el acceso de red utilizado (González y Marco, 2009).
Funciones del nodo eNB. 2.2.3
Los nodos eNB ejecutan las siguientes funciones (Véase Figura 3.3 en Anexo C):
• Funciones para la Gestión de Recursos Radio:
- Control del portador radio (Radio Bearer Control). - Control de admisión.
- Control de movilidad de la conexión.
- Asignación dinámica de recursos a los terminales de usuario en UL y DL (planificación o scheduling).
• Compresión de la cabecera IP y encriptación del flujo de datos del usuario.
• Selección de un nodo MME para un enlace de usuario, cuando no es posible determinar el enrutamiento a partir de la información ofrecida por el propio usuario.
• Enrutamiento de los datos del plano de usuario hacia el S-GW.
• Planificación y transmisión de mensajes de paginación (originados desde el MME)
• Planificación y transmisión de información de broadcast (originada desde el MME o el O&M)
Interfaz radioeléctrica. 2.2.4
La figura 2.2 muestra los niveles de protocolos para el plano de usuario, donde las subcapas PDCP, RLC y MAC (terminadas en eNB en el lado de la red) realizan funciones de compresión del encabezado IP, codificación y planeamiento. Además, se emplean técnicas ARQ y variantes híbridas de retransmisión y combinación H-ARQ (3GPP, 2010d).
Figura 2.2 Niveles de protocolos para el plano de usuario (3GPP, 2010d).
En la figura 2.3 se presentan los niveles de protocolos para el plano de control. El protocolo de control NAS se menciona solamente a modo de información ya que forma parte de la comunicación UE–EPC. El subnivel PDCP realiza funciones de cifrado y protección de la integridad de los datos, mientras que los subniveles RLC y MAC ejecutan las mismas funciones que en el plano de usuario. La capa RRC se encarga de las funciones de
broadcast, paging, administración de la conexión RRC, control de portador radio, además de funciones relacionadas con la movilidad, control de los equipos terminales y sus reportes de medición (3GPP, 2010d).
Figura 2.3 Niveles de protocolos para el plano de control (3GPP, 2010d). eNB PHY UE PHY MAC RLC MAC PDCP PDCP RLC eNB PHY UE PHY MAC RLC MAC MME RLC NAS NAS RRC RRC PDCP PDCP
Configuración de la banda de frecuencias. 2.2.5
E-UTRA está diseñada para operar en las bandas de frecuencias mostradas en la tabla 3.1 del Anexo C. Los requerimientos están definidos para anchos de banda de 1,4; 3; 5; 10; 15 y 20 MHz, con detalladas especificaciones en términos del número de bloques de recursos (RB) que incluyen 6, 15, 25, 50, 75 y 100 RB.
La figura 2.4 muestra la relación entre el ancho de banda total del canal, la distribución del ancho de banda de transmisión y el número de bloques de recursos.
La unidad fundamental del canal es 100 KHz, lo cual significa que la frecuencia central debe ser un múltiplo entero de 100 KHz.
Para la transmisión en espectro simétrico y asimétrico se emplean el modo FDD, que permite operaciones full dúplex y semi-dúplex, y el modo TDD (3GPP, 2010b).
Figura 2.4 Relación entre ancho de banda del canal y la configuración del ancho de banda de transmisión (3GPP, 2010b).
Esquemas de transmisión. 2.2.6
Uno de los elementos esenciales que distinguen a LTE de los sistemas anteriores, es que emplea esquemas de acceso adaptativos según las necesidades de los enlaces de subida y bajada. En la capa física, el DL está basado en la técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) mientras que el UL implementa el esquema SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) (3GPP, 2010b).
Transmission Bandwidth [RB]
Transmission Bandwidth Configuration [RB] Channel Bandwidth [MHz] Re s ourc e bloc k C h an n e l ed g e C h an n e l ed g e
DC carrier (downlink only) Active Resource Blocks
El mecanismo de acceso OFDMA emplea la multiplexación por división de frecuencias ortogonales para compartir el espectro radioeléctrico entre varios usuarios, y es especialmente adecuado para canales selectivos en frecuencia y altas razones de datos. El procedimiento divide un canal de banda ancha en un gran número de subportadoras individuales, más planas y estrechas, espaciadas a 15 KHz y que se asignan según las necesidades de cada usuario. Esta granularidad de la frecuencia facilita la implementación de terminales duales UTRA/E-UTRA (Ericsson, 2006).
Puesto que el desvanecimiento afecta selectivamente a un reducido grupo de canales, es posible realizar un proceso de ecualización de baja complejidad en el dominio de la frecuencia por parte del receptor, tarea sumamente difícil en sistemas que emplean técnicas de espectro extendido como CDMA (3GPP, 2010b).
La interferencia intracelular se suprime al elegir subportadoras ortogonales, lo cual evita el uso de bandas de guarda y mejora la eficiencia espectral. Sin embargo, sí existe la interferencia intercelular, pero dado que el planificador controla la asignación de recursos a cada usuario, se puede mitigar empleando técnicas de aleatorización, cancelación o coordinación de la interferencia entre células adyacentes (González y Marco, 2009).
Para manejar las diferentes dispersiones del retardo y sus correspondientes tamaños de celda con un encabezado aceptable, se introduce un prefijo cíclico que puede tener dos valores: el más breve de 4,7 ms es suficiente para contrarrestar la dispersión del retardo en casi todos los escenarios unicast; mientras que el más largo de 16,7 ms se usa para manejar celdas con más de 120 Km de radio y que presentan una gran dispersión temporal.
En HSDPA, se han implementado exitosamente diversas técnicas para explotar las variaciones del canal radio en el dominio del tiempo. En el caso de E-UTRA, la adaptación basada en el canal puede extenderse al dominio de la frecuencia gracias al uso de OFDM, de modo que, cuando el canal radio varía significativamente sobre el ancho de banda del sistema, se logra una elevada ganancia de rendimiento (Ericsson, 2006).
La señal en banda base que representa un canal físico descendente queda definida en los siguientes pasos:
• Modulación de los bits aleatorizados para generar símbolos complejos modulados.
• Distribución de los símbolos complejos sobre una o varias capas de transmisión.
• Pre-codificación de los símbolos en cada capa para la transmisión a través de los puertos de antena.
• Distribución de los símbolos a los elementos de recurso para cada puerto de antena. Generación de la señal compleja OFDM en el dominio del tiempo para cada puerto de antena (3GPP, 2010b).
Figura 2.5 Procesamiento para un canal físico descendente (3GPP, 2010b).
En cuanto al enlace ascendente, un requisito clave para el sistema es la eficiencia de potencia en el UE con vistas a maximizar la cobertura. Esto se logra con un acceso múltiple por división de frecuencia, con una sola portadora de ancho de banda dinámico.
Para cumplir con la ortogonalidad intracelular, la estación base le asigna al UE un único intervalo de tiempo-frecuencia para la transmisión de los datos de usuario. Este proceder se repite para cada intervalo de tiempo. Los usuarios se separan en primera instancia mediante la planificación en el dominio del tiempo; no obstante, si el terminal tiene una potencia de transmisión limitada o no cuenta con suficiente información para transmitir, también se usa la planificación en el dominio de la frecuencia. (Ericsson, 2006)
La señal en banda base que representa un canal físico ascendente queda definida en los siguientes pasos, según se muestra en la figura 2.6:
• Aleatorización.
• Modulación de los bits aleatorizados para generar símbolos complejos.
• Pre-codificación de transformada de Fourier para generar símbolos complejos.
• Distribución de los símbolos complejos a los elementos de recurso.
• Generación de la señal compleja SC-FDMA en el dominio del tiempo para cada puerto de antena (3GPP, 2010b). Scrambling Modulation mapper Layer mapper Precoding Resource element mapper OFDM signal generation Resource element mapper OFDM signal generation Scrambling Modulation mapper
layers antenna ports code words
Figura 2.6 Procesamiento para un canal físico ascendente (3GPP, 2010b).
Requerimientos asociados a la radiofrecuencia. 2.2.7
En TS 36.101 y TS 36.104 se presentan diversos requerimientos relacionados con los parámetros de radiofrecuencia, de modo que se puede establecer la siguiente clasificación:
• Para el transmisor del terminal de usuario, se definen especificaciones para las siguientes cantidades:
Calidad de la señal transmitida (Error Vector Magnitude, EVM).
Potencia máxima de salida (MOP).
Máxima pérdida de potencia (MPR).
Dinámica de la potencia de salida.
Emisión de salida del espectro RF: -Ancho de banda ocupado.
-Máscara de emisión del espectro. -Emisión fuera de banda.
-Razón de fuga de la portadora adyacente (Adjacent Carrier Leakage Ratio (ACLR), 5
-Emisiones espurias.
Intermodulación transmitida.
• Para el receptor del terminal de usuario, se establecen requisitos en términos de los siguientes parámetros:
Nivel de potencia de sensibilidad de referencia.
Nivel de entrada máximo.
Sensibilidad del canal adyacente.
Características de bloqueo.
Respuesta espuria.
Características de intermodulación.
5 Véase definición en Anexo A.
Scrambling Modulation mapper Transform precoder Resource element mapper SC-FDMA signal gen.
Emisiones espurias.
• Para el transmisor de la estación base se establecen requisitos para las siguientes magnitudes:
Potencia de salida de la estación base.
Calidad de la señal transmitida, EVM y error de frecuencia.
Emisiones no deseadas:
-Ancho de banda ocupado. -ACLR.
-Banda de operación de las emisiones no deseadas. -Emisiones espurias del transmisor.
Intermodulación del transmisor.
• Para el receptor de la estación base, los requisitos se definen en términos de las siguientes magnitudes:
Nivel de sensibilidad de referencia.
Rango dinámico.
Selectividad de canal (In-channel selectivity).
Selectividad de canal adyacente (ACS).
Emisiones espurias del receptor.
Intermodulación del receptor.
En E-UTRA, la variabilidad en el ancho de banda del sistema presenta un problema especial a la hora de definir los requerimientos de RF, de modo que es necesario redefinir algunos parámetros tantas veces como configuraciones de ancho de banda existan. Se le presta especial atención al tema de la coexistencia, debido a que LTE tiene que compartir espacios con los demás sistemas existentes (3GPP, 2010b).
Los requisitos de rendimiento pueden ser consultados en TS 36.101 y TS 36.104.
TS 36.113 contiene la evaluación en términos de compatibilidad electromagnética de las estaciones base E-UTRA, repetidores y demás equipamiento auxiliar asociado.
Por otra parte, TS 36.141 especifica los métodos de prueba RF y los requerimientos de conformidad para las estaciones base E-UTRA, operando tanto en modo FDD (usado en bandas simétricas) como en modo TDD (usado en bandas asimétricas). Estos elementos se
derivan y son consistentes con las especificaciones realizadas para la estación base E- UTRA, que están documentadas en TS 36.104.
Capa física. 2.2.8
La capa 1 o física no se define en términos específicos de ancho de banda, sino que está basada en bloques de recursos. Esta propiedad le permite a LTE adaptarse a diferentes asignaciones de frecuencia. Un bloque de recurso puede componerse de 12 o 24 subportadoras, con un ancho de banda por subportadora de 15 KHz o 7,5 KHz respectivamente, cada una con una duración de 0,5 ms.
La estructura de trama radio tipo 1, es usada en FDD (para ambos modos de operación full dúplex y semi-dúplex) y tiene una duración de 10 ms. Se compone de 20 ranuras con una duración de ranura de 0,5 ms. Dos ranuras adyacentes forman una subtrama de 1 ms de duración (3GPP, 2010b).
La estructura de trama tipo 2 es usada para TDD y consiste de dos medias tramas, cada una con 5 ms de duración, 8 ranuras de 0,5 ms y tres campos especiales (DwPTS, GP, UpPTS). Los campos tienen longitudes individuales configurables y una duración máxima de 1 ms. Una subtrama se compone de dos ranuras adyacentes, excepto la subtrama 1 y 6, que contienen los mencionados campos DwPTS, GP, UpPTS. Además, se soporta la periodicidad para ambos puntos de conmutación de 5 ms y 10 ms.
Para respaldar los servicios MBMS, LTE ofrece la posibilidad de transmisión
Broadcast/Multicast sobre una red de frecuencia simple (MBSFN), donde se transmite desde múltiples células una forma de onda común, sincronizada en tiempo y con una duración dada. La transmisión MBSFN hace posible la prestación de servicios MBMS con elevada eficiencia y permite la combinación en el aire de transmisiones multi-celda en el UE, donde el prefijo cíclico es utilizado para resolver la diferencia en los retardos de propagación. Esta característica de la transmisión MBSFN, se muestra en el lado del UE como una transmisión originada desde una celda única de grandes dimensiones. Se soporta además la transmisión de MBSFN en una portadora dedicada, con la posibilidad de usar un CP más largo y un ancho de banda de subportadora de 7,5 KHz, así como la transmisión de MBSFN en modalidades MBMS y punto a punto sobre una misma portadora, donde se emplea multiplexación por división de tiempo (3GPP, 2010b).
Por otra parte, la transmisión con antenas de múltiple entrada y múltiple salida (MIMO) en el enlace descendente, se realiza con configuraciones de dos o cuatro antenas transmisoras y dos o cuatro antenas receptoras, lo cual permite efectuar transmisiones multicapa de hasta cuatro flujos de datos.
En una situación MIMO con usuario único, la estación base asigna uno o dos flujos al usuario seleccionado, mientras que en el caso de MIMO multi-usuario, la asignación de diferentes (uno o dos) flujos se realiza a varios usuarios, tanto para el UL como para el DL. Los canales físicos definidos en el enlace descendente son:
• Canal Físico Descendente Compartido (PDSCH).
• Canal Físico de Multicast (PMCH).
• Canal Físico Descendente de Control (PDCCH).
• Canal Físico de Broadcast (PBCH).
• Canal Físico del Indicador del Formato de Control (PCFICH).
• Canal Físico del Indicador ARQ Híbrida (PHICH). Los canales físicos definidos en el enlace ascendente son:
• Canal Físico de Acceso Aleatorio (PRACH).
• Canal Físico Ascendente Compartido (PUSCH).
• Canal Físico Ascendente de Control (PUCCH).
En adición, se definen algunas señales de referencia como son las señales de sincronización primaria y secundaria (3GPP, 2010b).
Los esquemas de modulación soportados en el UL y DL son QPSK, 16QAM y 64QAM. El esquema de codificación de canal usado para los bloques de transporte en LTE es Turbo Código, al igual que en UTRA. Este algoritmo presenta una razón de codificación de R=1/3, dos codificadores integrados de ocho estados y un entrelazador interno, donde se implementa una función polinomial cuadrática. La terminación Trellis es usada para la codificación turbo. Antes de esta etapa, los bloques de transporte son divididos en bytes sucesivos, con un tamaño máximo para el bloque de información de 6144 bits. La detección de errores se realiza mediante una verificación de redundancia cíclica (CRC) de 24 bits. Existen diversos procedimientos de capa física involucrados en la operación LTE:
• Búsqueda de la célula.
• Control de potencia.
• Sincronización y control de temporización en el UL.
• Procedimientos relacionados con el acceso aleatorio.
• Procedimientos H-ARQ asociados.
A través del control de recursos de la capa física, tanto en el dominio de la frecuencia como en el del tiempo y de la potencia, la tecnología LTE provee un mecanismo implícito para la coordinación de la interferencia (3GPP, 2010b).
Movilidad y administración de recursos radio. 2.2.9
El UE y el eNB realizan mediciones de las características radio y las reportan a las capas superiores en la red. Estas mediciones incluyen, por ejemplo, las que se efectúan en
handovers dentro y fuera de la misma banda de frecuencias, o en handovers entre diferentes tecnologías de acceso radio; así como mediciones de temporización y para la gestión de recursos radioeléctricos (3GPP, 2010b).
Las mediciones para transferencias entre tecnologías de acceso radio, están definidas en el soporte de handovers para GSM, UTRA FDD y UTRA TDD.
Las mediciones a ser efectuadas por un UE en términos de movilidad, se clasifican en al menos tres tipos de medición: