ESCOLA TÈCNICA SUPERIOR D’ENGINYERIA ELECTRÒNICA I INFORMÀTICA LA SALLE

PROJECTE FI DE CARRERA

ENGINYERIA EN TELECOMUNICACIÓ

LTE I LES NOVES

TECNOLOGIES

D’ACCÉS A BANDA

AMPLA MÒBIL

ALUMNE PROFESSOR PONENT

Jordi Jofre López Albert-Miquel Sánchez Delgado

ACTA DE L'EXAMEN DEL PROJECTE FI DE CARRERA

Reunit el Tribunal qualificador en el dia de la data, l'alumne

D. va exposar el seu Projecte de Fi de Carrera, el qual va tractar sobre el tema següent:

Acabada l'exposició i contestades per part de l'alumne les objeccions formulades pels Srs. membres del tribunal, aquest valorà l'esmentat Projecte amb la qualificació de

Barcelona,

VOCAL DEL TRIBUNAL VOCAL DEL TRIBUNAL

PRESIDENT DEL TRIBUNAL LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

ÍNDEX

0. Abstract ...... - 5 -

1. Resum ...... - 6 -

2. Comunicacions mòbils: on som...... - 7 -

2.1. Visió global...... - 7 -

2.2. Escenari actual...... - 7 -

2.3. El camí fins les tecnologies de banda ampla...... - 8 -

2.4. Evolució de 1G cap a 2G...... - 9 -

3. GSM – 2G...... - 11 -

3.1. Característiques principals ...... - 12 -

3.1.1. Metodologia d’accés...... - 13 -

3.1.1.1. FDMA...... - 13 -

3.1.1.2. TDMA...... - 13 -

3.1.2. Roaming i handover ...... - 15 -

3.2. Arquitectura de xarxa ...... - 15 -

3.3. Interfícies i protocols de GSM ...... - 19 -

3.3.1. Capa física de GSM ...... - 20 -

3.3.1.1. Canals físics i canals lògics...... - 21 -

3.3.1.2. Esquema de modulació GMSK ...... - 22 -

3.3.1.3. Seqüències d’entrenament...... - 23 -

3.3.1.4. Control de potència...... - 24 -

3.4. Tipus d'equips ràdio ...... - 24 -

3.4.1. Prestacions RBS 2206 d’Ericsson ...... - 24 -

3.5. Operativa de xarxa...... - 26 -

3.5.1. Time Advance System ...... - 26 -

3.5.2. Establiment de trucada ...... - 27 -

3.5.3. Handover intercel·la ...... - 27 -

- 1 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3.6. Serveis GSM...... - 28 -

3.7. Escenari Post-GSM...... - 29 -

3.7.1. GPRS ...... - 30 -

3.7.2. EDGE ...... - 30 -

3.7.3. La transició cap a WCDMA...... - 31 -

4. WCDMA – 3G...... - 34 -

4.1. Conceptes previs ...... - 34 -

4.1.1. 3GPP - 3rd Generation Partnership Project ...... - 34 -

4.1.2. Radio Access Network (RAN) ...... - 35 -

4.1.3. Diferenciació entre UMTS i WCDMA...... - 35 -

4.1.4. WCDMA...... - 35 -

4.1.5. UMTS Terrestrial Radio Access Networks (UTRAN)...... - 36 -

4.2. Característiques principals ...... - 36 -

4.3. Arquitectura de xarxa ...... - 39 -

4.3.1. Core Network ...... - 41 -

4.3.2. Radio Network Subsystem ...... - 42 -

4.3.3. Mobile Station...... - 43 -

4.4. Arquitectura de protocols 3G...... - 43 -

4.4.1. Capa física de WCDMA...... - 44 -

4.4.1.1. Channelization codes i scrambling codes...... - 45 -

4.4.1.2. Format de la trama ràdio...... - 47 -

4.4.2. Capa de xarxa: Radio Resource Control (RRC) ...... - 50 -

4.5. Prestacions RBS 3116 d'Ericsson ...... - 51 -

4.6. Transport ATM ...... - 52 -

4.6.1. Diferents tipus de tràfic...... - 54 -

4.6.2. Capes d’adaptació AAL ...... - 55 -

4.6.3. Exemple de mapeig de tràfic ATM...... - 55 -

4.7. Operativa de xarxa...... - 58 -

- 2 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.7.1. Handover...... - 58 -

4.7.2. Procediment Random Access- Initial Cell Search...... - 59 -

4.8. High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) ...... - 59 -

4.9. Serveis i aplicacions en 3G ...... - 62 -

4.10. Implantació de WCDMA i HSPA...... - 63 -

4.10.1. Evolució de WCDMA: la necessitat del canvi...... - 63 -

4.10.2. Diferències WCDMA-LTE ...... - 64 -

5. Long Term Evolution (LTE)...... - 67 -

5.1. Aspectes generals...... - 67 -

5.1.1. Objectius LTE...... - 68 -

5.2. LTE radio access: l’entorn mòbil...... - 70 -

5.2.1. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) ...... - 72 -

5.2.1.1. Característiques principals...... - 72 -

5.2.1.2. Prefixes Cíclics ...... - 73 -

5.2.1.3. Avantatges OFDM...... - 74 -

5.2.1.4. Inconvenients OFDM ...... - 75 -

5.2.1.5. OFDM com a tècnica d’accés en LTE ...... - 77 -

5.2.2. Modes de treball FDD i TDD...... - 81 -

5.2.3. Format trama LTE downlink ...... - 81 -

5.2.4. Adaptació de flux: planificador downlink /uplink ...... - 82 -

5.2.5. Configuració amb múltiples antenes...... - 83 -

5.2.5.1. Separació entre antenes ...... - 86 -

5.2.6. Flexibilitat espectral...... - 87 -

5.3. Arquitectura de xarxa ...... - 87 -

5.3.1. System Architecture Evolution (SAE)...... - 88 -

5.3.2. Xarxa d’accés LTE ...... - 89 -

5.3.3. Arquitectura de protocols...... - 90 -

5.3.4. Arquitectura de canals...... - 92 -

- 3 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.4. Accés a la xarxa LTE ...... - 95 -

5.4.1. Random Access i Connection Setup ...... - 98 -

5.4.2. Paging...... - 100 -

5.5. Throughput màxim teòric pel downlink ...... - 100 -

5.6. Prestacions RBS 6201 d’Ericsson...... - 101 -

6. Estat de l’art...... - 104 -

6.1. LTE Advanced...... - 104 -

6.2. LTE Advanced Relay...... - 106 -

6.3. Implantació de xarxes ...... - 107 -

6.4. Aplicacions i serveis LTE...... - 109 -

7. Conclusions ...... - 110 -

8. Bibliografia...... - 112 -

I. Annex primer: Simulacions VSA ...... - 113 -

I.I. Mesures GSM ...... - 114 -

I.II. Mesures EDGE-GSM...... - 118 -

I.III. Mesures WCDMA...... - 120 -

I.IV. Mesures HSPA+...... - 126 -

I.V. Mesures LTE...... - 127 -

I.VI. Conclusions...... - 134 -

II. Annex segon: Especificacions ràdio LTE ...... - 136 -

- 4 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

0. Abstract

L’objectiu principal d’aquest PFC ha estat estudiar i entendre els fonaments de Long Term Evolution (LTE), la qual s’ha erigit en la nova tecnologia de banda ampla mòbil de quarta generació. L’aproximació a LTE es fa a partir d’un recorregut per les diverses tecnologies mòbils cel·lulars com per exemple Global System for Mobile communications (GSM) i Wideband Code Division Múltiple Access (WCDMA), les quals han servit de base pel disseny de LTE.

La intenció final d’aquest PFC ha estat, a través de l’aproximació a aquestes tecnologies, elaborar un document de referència que ajudi a entendre la situació actual dels sistemes de telefonia mòbil i permeti comprendre quins han estat els factors que han fet evolucionar-los.

- 5 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

1. Resum

La finalitat d’aquest projecte ha estat aproximar-nos als aspectes clau de la tecnologia LTE de quarta generació, la qual proporciona millores significatives en l’ample de banda disponible per a l’usuari; això ho aconsegueix gràcies a un nou disseny en l’arquitectura de la xarxa d’accés, una nova manera de gestionar els recursos i la nova implementació en la capa ràdio basada en accés per OFDM.

Per arribar a l’arquitectura de LTE, s’ha estructurat el projecte de forma que en el capítol 3 i capítol 4 repassem les principals tecnologies cel·lulars mòbils actuals com ara GSM i WCDMA. Aquests capítols també inclouen les tecnologies EDGE i HSPA, en vigència encara a dia d’avui i que són l’evolució natural de les xarxes de segona i tercera generació respectivament. En cadascuna d’aquestes etapes s’identifiquen les característiques fonamentals i es detallen els motius que han portat el mercat de les comunicacions mòbils a adoptar un o altre estàndard.

En el capítol 5 estudiem la tecnologia LTE amb major deteniment, destacant les diferències que s’hi introdueixen i que permeten millorar certs aspectes clau. L’anàlisi de LTE el fem a nivell d’arquitectura, però també a nivell de la interfície aire, la qual utilitza tècniques d’accés basades en OFDM.

En el capítol 6 repassem l’estat actual de LTE a partir de les seves releases i especificacions del 3GPP, les quals es troben encara en procés de redacció. També veiem quina ha estat fins al moment la implantació dels nous sistemes LTE a nivell mundial i les fites aconseguides en les mesures que s’han produït darrerament i que confirmen a LTE com la tecnologia de quarta generació. La descripció de les aplicacions i serveis possibles defineixen les enormes possibilitats de LTE.

Per últim, en el capítol de conclusions indiquem els factors que creiem han estat claus en el desenvolupament de LTE i la diferencien de les tecnologies precedents.

L’annex primer conté les simulacions que s’han realitzat mitjançant el software VSA i que il·lustren les característiques de les tecnologies analitzades en el projecte. El suport gràfic que ofereix VSA proporciona una millor comprensió de LTE, a partir de l’anàlisi dels senyals de referència disponibles.

L’annex segon conté la relació d’especificacions del 3GPP referents a LTE Advanced i que són la base del darrer desenvolupament de LTE. Totes les recomanacions són públiques i disponibles al lloc web del 3GPP.

- 6 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

2. Comunicacions mòbils: on som

2.1. Visió global

El mercat de les tecnologies de la informació i les comunicacions (TIC) és actualment un dels eixos més importants al voltant del qual gira la nova economia mundial. El mercat de les telecomunicacions en particular representa avui dia la porta d’entrada a la societat de la informació i és una eina indispensable en la difusió del coneixement, el progrés social i la creació de riquesa.

L’alt nivell de penetració social de les noves tecnologies mòbils explica el fort augment en els ingressos dels operadors que ofereixen aquest tipus de tecnologies i els hi atribueix un paper central en el desenvolupament econòmic global. Els operadors de telefonia fixa i mòbil han generat històricament una part molt important dels beneficis dins del mercat de les telecomunicacions fins al punt que en aquests moments són considerats el motor del desenvolupament d’aquest mercat.

2.2. Escenari actual

En l’actualitat la xarxa mòbil ja ha assolit un alt nivell de consolidació pel que fa al tràfic de veu que és capaç de cursar. Els operadors ja ofereixen cobertura mòbil a una gran extensió del territori, ja sigui en àrees urbanes, interurbanes o fins i tot rurals mitjançant la tecnologia mòbil basada en commutació de circuits. Malgrat tot, els ingressos econòmics derivats d’aquest tipus de tràfic no augmenten des del punt de vista de l’operador. La xarxa de veu implementada sobre tecnologia 2G/3G és des de ja fa temps un mercat estancat amb un ritme de creixement molt baix, tal i com podem observar en el gràfic de la figura 1. De forma complementària, el fort auge de la tecnologia Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) i la utilització del model de banda ampla mòbil ha disparat l’ús del volum de dades de la xarxa de commutació de paquets.

Figura 1. Augment del volum de dades de la xarxa de commutació de paquets.

- 7 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Aquest fet ha condicionat enormement les expectatives del sector i ha fet canviar el model de negoci dels grans operadors. Juntament amb els subministradors d’equips, s’ha destinat una forta inversió cap a la recerca i integració de les noves xarxes de commutació de paquets per a la implantació de nous serveis multimèdia. És en aquesta direcció on s’espera que en els propers anys la demanda dels usuaris augmenti de manera més clara i significativa. S’estima que l’any 2014 el nombre de subscriptors de línies mòbils a nivell mundial sigui sis vegades superior al nombre de línies fixes existents, segons podem observar a la figura 2. Aquest espectacular augment d’usuaris representa un gran repte pels serveis actuals de banda ampla mòbil, donat que el perfil de tràfic del consumidor ha variat en els darrers anys.

A dia d’avui, els hàbits del consumidor ja demostren que el telèfon mòbil no només s’utilitza per a trucades telefòniques, sinó que a més també es fa servir per descarregar correu, navegar per internet, accedir a aplicacions de xarxes socials, executar jocs o vídeos en temps real, etc.

L’ampli ventall de terminals mòbils disponibles en el mercat ha disparat també la quantitat d’aplicacions i ha diversificat els costums dels usuaris.

Figura 2. Previsió de creixement del nombre de línies mòbils a nivell mundial.

Per tant, si les previsions es compleixen, a finals de l’any 2014 uns 3 bilions d’usuaris accediran potencialment a la xarxa mòbil. Els serveis subministrats pels operadors mòbils hauran d’estar a l’alçada, com a mínim, dels serveis que els operadors fixes ofereixen. En l’accés sense fils hi ha dues tecnologies, les quals veurem amb un major nivell de detall, que capitalitzen ja aquest lideratge: High Speed Packet Access (HSPA) i Long Term Evolution (LTE).

2.3. El camí fins les tecnologies de banda ampla

La gran revolució originada per l’invent del telèfon l’any 1870, entès com un mitjà de comunicació a través de fils conductors, es va veure complementada per l’invent de la ràdio a principis del segle XX. Ràpidament es va voler combinar les característiques d’ambdós, aportant la mobilitat a la comunicació entre dos usuaris diferents. L’any - 8 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

1919 ja es van realitzar amb èxit les primeres proves de transmissió en un únic sentit mitjançant radiotelèfons. I fins i tot poc abans d’arribar al 1930 ja existien sistemes ràdio que permetien comunicar bidireccionalment patrulles de policia i també ambulàncies.

A partir de la segona guerra mundial es van millorar els sistemes de transmissió, dotant-los de capacitat d’ésser transportats per una persona.

No va ser fins la dècada dels 50, quan als Estats Units va començar-hi a haver una certa demanda pels primers sistemes de telefonia mòbil. No obstant, les grans dimensions dels terminals, l’altíssima complexitat dels equips i l’exclusivitat requerida per a fer-ne ús van ser un gran inconvenient perquè se’n popularitzés la seva utilització.

El descobriment de les xarxes cel·lulars i la seva aplicació en els sistemes de telefonia mòbil durant la dècada dels 70 i els 80 van causar un petit esclat d’estàndards a nivell mundial. Podem destacar-ne alguns d’ells, per ordre cronològic d’aparició:

Nordic Mobile Telephone (NMT)

Desenvolupat el 1970 i posat en servei el 1981, operava als països escandinaus a les freqüències de 150 i 450 MHz segons la variant. Utilitzava tecnologia analògica, accés full-duplex i modulació Fast Frequency Shift Keying (FFSK). Les potències d’emissió dels terminals d’usuari eren de 1 W. Les transferències de dades podien arribar fins a 380 bps.

American Mobile Phone System (AMPS)

Introduït a Amèrica el 1983 i desenvolupat per Bell Labs es va convertir en el primer estàndard als EUA, usat per operadores com AT&T i Verizon Wireless. Operava a la banda dels 800 MHz emprant accés Frequency Division Múltiple Access (FDMA) i canalització de 30 KHz. L’espectre se separava en dues bandes diferents segons Frequency-division duplexing (FDD ); concretament la separació es feia en 416 canals a la banda de freqüències compresa entre els 824 i els 849 MHz per l’ uplink i 416 canals més (emparellats) a la banda dels 869 als 894 MHz pel downlink .

Total Access Communication System (TACS)

Es tracta de la variant europea corresponent a AMPS, desenvolupat per Motorola a principis dels anys 80. També usant tecnologia analògica i funcionant a la banda dels 900 MHz, l’estàndard és molt similar a la seva versió americana, tot i que a diferència d’aquesta última, emprava una canalització de 25 KHz. El seu successor va ser GSM.

2.4. Evolució de 1G cap a 2G

Tota aquesta sèrie d’estàndards tenien taxes de transmissió de dades molt baixes, de manera que la migració cap a sistemes cel·lulars digitals es va convertir en una necessitat. Malgrat tot, un dels pocs avantatges que aquests oferien eren els amplis

- 9 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

radis de cobertura que oferia una sola estació base, cobrint una amplia extensió de terreny gràcies a les baixes freqüències de propagació. Això va permetre que el cicle de vida d’aquestes tecnologies s’allargués i fins i tot que fins fa relativament poc encara es pogués trobar operativa alguna xarxa operant sota aquests protocols com per exemple a Islàndia o Polònia, on els operadors Síminn i Centertel encara oferien serveis NMT de primera generació.

La majoria dels sistemes esmentats anteriorment es basen en tecnologia analògica.

Les principals inconvenients que presenten els circuits analògics davant dels circuits digitals són els següents:

• En el domini analògic els circuits estan formats per components electrònics imperfectes que poden presentar derives en freqüència, temperatura i voltatge. Això és motiu suficient com perquè el comportament d’un determinat circuit tingui una variabilitat important. Aquest punt queda resolt en els circuits digitals, que en principi sempre presentaran una mateixa sortida per una entrada determinada, el que els fa molt més fiables que no pas els analògics.

• Treballar en el domini digital ens dóna major capacitat de reconfiguració i també de programar que no pas fer-ho en el domini analògic.

• Les fases de disseny de les etapes que conformen per exemple un transmissor de ràdio són molt més fàcils d’implementar en el domini discret que no pas l’analògic, el que fa que econòmicament sigui molt més eficient i escalable un disseny digital sobre un d’analògic per a realitzar una mateixa tasca.

• Els senyals digitals són emmagatzemables i per tant resulten molt més manipulables que no pas els senyals analògics. Les aplicacions derivades del tractament digital del senyal permeten realitzar multitud de modificacions sobre aquests, com ara filtratge, Fast Fourier Transform (FFT), etc. emprant molt pocs recursos.

La tecnologia GSM neix fruït de la necessitat de consolidar una tecnologia única que fos capaç d’integrar la fragmentada indústria de les comunicacions mòbils dels anys 80, a més de donar una sèrie de serveis afegits a la comunicació. Això només es podia assolir migrant els sistemes analògics cap a una tecnologia digital cel·lular.

- 10 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3. GSM – 2G

GSM es va definir des d’un principi com Groupe Special Mobile l’any 1982 per part del Conférence Europeénne des administrations des Postes et des Télécommunications (CEPT) és un sistema obert de comunicacions, basat en tecnologia cel·lular digital, per la transmissió de veu i serveis mòbils de dades. Actualment GSM es defineix com a Global System for Mobile communications , o també xarxa mòbil de segona generació.

GSM és un dels primers estàndards de telefonia mòbil que va permetre un ús massiu de dispositius i a l’hora va assegurar-ne la interoperabilitat als diversos països on aquesta tecnologia fou implantada. També va suposar la primera gran estandardització d’una tecnologia mòbil digital a Europa, ja que fins aquell moment el mercat estava fortament fragmentat en multitud d’estàndards i especificacions que impedien el roaming als usuaris (extensió dels serveis que són proporcionats a un usuari fora de la seva ubicació habitual). Una de les grans novetats que oferien les xarxes basades en GSM és que es tractava del primer gran sistema de comunicacions basat en tecnologia digital, el que representava un salt qualitatiu important.

La primera associació per l’estandardització de GSM fou creada l’any 1982 pel CEPT i no va ser fins el 1989 quan la responsabilitat va recaure en el European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Més tard, durant el 1990, es van publicar les especificacions de la fase I de GSM i l’any 1993 es va implantar la primera xarxa que pertanyia a l’operador finlandès Radiolinja.

L’estàndard GSM permet la transmissió de veu i dades de fins a 9.6 Kbps juntament amb la transmissió de Short Message Service (SMS), entre d’altres. La banda de freqüències de treball es va definir al voltant dels 900, i no va ser fins el 1989 a Anglaterra quan es va definir la Personal Communications Network (PCN) operant en la banda dels 1800 MHz en la seva variant Digital Cellular System (DCS).

Avui en dia les xarxes GSM donen cobertura a un 80% de la població mundial en més de 218 països. L’organisme que representa la industria mundial de les comunicacions mòbils és la GSM Association (GSMA) i aquesta està formada per operadors, subministradors i tot el conjunt d’empreses que d’una manera o altra ajuden al desenvolupament i la implantació de la tecnologia GSM.

De forma anàloga i amb certes diferències la implantació de la xarxa mòbil de segona generació a Nord Amèrica es va produir amb el nom de IS-54 (conegut com US- TDMA), mentre que al Japó va adoptar el nom de Personal Digital Cellular (PDC).

La taula de la figura 3 detalla el cicle de vida de GSM des de la definició inicial de l’estàndard fins a la seva implantació, tant en el medi urbà com en el rural:

- 11 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Year Milestone 1982 GSM formed 1986 Field test 1987 TDMA chosen as access method 1989 Validation of GSM system

1990 Preoperation system 1991 Commercial system start-up 1992 Coverage of large cities/airports

1993 Coverage of main roads 1995 Coverage of rural areas

3.1. Característiques principals

GSM segueix sent en aquests moments el principal estàndard mòbil de comunicacions digitals per a la transmissió de veu i dades i amb capacitat de roaming .

Per aconseguir-ho es necessita una àmplia cobertura i una gran capacitat de tràfic amb un nombre limitat de freqüències. Això és possible gràcies a la reutilització de freqüències mitjançant l’estructura cel·lular.

Les estructures cel·lulars consisteixen en la divisió (pel que fa a cobertura) d’una extensió de terreny determinada, o bé d’un nombre d’habitants determinat en el que s’anomenen cel·les de cobertura. A aquestes cel·les sel’s atorga una sèrie de recursos com són antenes, equips, canals ràdio i tot allò que cal per oferir el servei de telefonia mòbil. El més important de tot és que les cel·les, que entre elles es troben suficientment separades com per no interferir-se, poden utilitzar les mateixes freqüències de transmissió. Segons les condicions podríem parlar, en general d’uns 10 Km o més de separació, depenent de l’orografia del terreny, la visibilitat, etc.

Un bon exemple de funcionament cel·lular el podem veure en la figura 4, la qual correspon a les estacions mòbils d’un operador espanyol ubicades al barri de Sant Gervasi de la ciutat de Barcelona:

Figura 4. Estructura cel·lular d’una xarxa de telefonia mòbil. - 12 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3.1.1. Metodologia d’accés

GSM funciona amb una combinació de tecnologia FDMA ( Frequency Division Múltiple Access ) i TDMA ( Time Division Múltiple Access ). Això significa que la multiplexació d’usuaris es fa tant a nivell freqüencial com temporal. És important tenir en compte que les estacions base, en GSM, reutilitzen les freqüències de la xarxa, ja que es tracta d’un recurs compartit i limitat.

3.1.1.1. FDMA

Pel què fa al marge de freqüències de funcionament, aquest se situa en dues sub- bandes; la banda dels 900 MHz per un costat, i la dels 1800 MHz per l’altra. A aquesta última modalitat se l’anomena generalment GSM-1800 o també DCS (Digital Cellular System) i es caracteritza per disposar d’un major nombre de canals, així com de tenir menys capacitat de penetració en recintes tancats donada la seva major freqüència. Això fa que per cobrir una mateixa àrea, es necessitin més estacions base funcionant amb DCS que no pas el que requeriria GSM.

En qualsevol cas, les especificacions sobre GSM per què fa a freqüències d’ús recullen el següent, en la banda dels 900 MHz:

• Canals de l’1 al 600: 890 a 915 MHz ( uplink des del terminal mòbil cap a l’estació base) i 935 a 960 MHz ( downlink : des de l’estació base cap al terminal mòbil).

• Canals del 1329 al 2047: 872 a 890 MHz ( uplink des del terminal mòbil cap a l’estació base) i 917 a 935 MHz ( downlink : des de l’estació base cap al terminal mòbil).

El resultat d’aquest disseny freqüencial és 124 parells de freqüències (una pel downlink i l’altre per l’ uplink respectivament), equiespaiades 200 KHz entre elles.

3.1.1.2. TDMA

La trama GSM està definida a una determinada freqüència (FDMA), però també està definida a nivell temporal (TDMA). Té una durada total de 4.615 msec , amb 8 time slots per trama de 0.577 msec cadascun. Això significa que en un canal podem tenir fins a 8 usuaris els quals han de fer ús del seu time slot convenientment. En la següent figura es pot apreciar el format emprat en GSM, tant a nivell de trama com de time slot d’usuari. En cada time slot hi podem encabir un màxim de 156 bits, dels quals 36 transporten dades d’usuari.

- 13 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 5. Format de la trama i del time slot en GSM.

Podem calcular el throughput màxim de GSM a partir de la figura 5:

Nº bits / slot = 8+41+36+3+68.25 = 156 bits / slot

bits8 slots tramaGSM 156 * *= 271 Kbps slot tramaGSM 4,6*10 −2

Aquest valor representa la velocitat en màxima utilització del canal ràdio i per tant tenint en compte que és compartida entre diferents usuaris. L’ample de banda del canal és sempre fix (200 KHz) i aquesta estructura és vàlida tant pel downlink com per l’ uplink . La canalització en GSM queda perfectament definida tal i com es mostra en la figura 6:

Figura 6. Multiplexació en el domini freqüencial i temporal pels canals de l’1 al 600 en GSM.

- 14 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Als operadors que ofereixen el sistema GSM els hi són assignades diferents bandes de freqüència de funcionament per tal que no s’interfereixin entre ells.

3.1.2. Roaming i handover

El funcionament d’un mòbil dins la xarxa requereix que aquesta sigui capaç de localitzar-lo allà on estigui i li permeti establir una trucada quan l’usuari ho sol·liciti. Aquesta facilitat és la que es coneix com a roaming, la qual s’ha de veure acompanyada pel fet que el mòbil ha de poder sintonitzar els canals per a la transmissió i recepció de trucades de manera automàtica i transparent a l’usuari final.

A més, en un entorn cel·lular l’usuari que parla per telèfon pot desplaçar-se físicament, el que fa que la xarxa hagi de tenir algun mecanisme que faci que la trucada sigui transferida entre cel·les diferents i impedint que caigui la trucada ( handover ). Aquest és un factor clau per assegurar una bona “ user experience ”.

Per aconseguir tot això és indispensable l’ús dels sistemes de senyalització avançats, aplicat sobre canals de control mitjançant protocols específics, segurs, ràpids i òptims des del punt de vista computacional. Malgrat tot, sabem que els sistemes de senyalització afegeixen una càrrega de càlcul que els terminals han de processar.

3.2. Arquitectura de xarxa

En una comunicació mòbil, a cada usuari que està mantenint una conversació o està transmetent dades se li assigna un ample de banda, en un interval de temps determinat i a una freqüència de portadora concreta. Si tenim molts usuaris utilitzant aquesta mateixa estructura significa que cal una compartició de les freqüències disponibles de l’operador ja que necessitem que les comunicacions dels diferents usuaris no s’interfereixin entre sí. Per tant, una planificació espectral a nivell de xarxa.

Això fa que no sigui possible que un operador transmeti i rebi informació de tots els seus usuaris a partir d’una sola antena ja que el gran ample de banda que es requereix ho fa inviable. Per això és necessari la divisió cel·lular de la xarxa, el que porta al disseny de petites àrees de servei que es regeixen per una freqüència pròpia i que posteriorment serà reutilitzada de forma que dues cel·les treballant a una mateixa freqüència de portadora estiguin prou separades entre sí com per no interferir-se.

Per tant, l’arquitectura GSM està basada en disseny cel·lular amb reutilització de freqüències i es divideix principalment en tres sistemes:

• Mobile Station (MS): és el terminal d’usuari, ja sigui un telèfon mòbil o bé qualsevol altre dispositiu equipat amb targeta Subscriber Identity Module (SIM) amb accés a la xarxa GSM.

• Base Station Subsystem (BSS): és la capa inferior de l’arquitectura i la seva missió principal és la de resoldre l’accés de l’usuari (terminal) a la xarxa, a través del canal de comunicacions.

- 15 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Network Switching Subsystem (NSS): s’encarrega, entre d’altres, de l’enrutament cap als elements jeràrquics superiors i de la identificació de l’abonat, tarificació i control d’accés mitjançant la comprovació d eles bases de dades de l’operador.

L’estructura principal de la xarxa GSM és la que es mostra a la figura 7:

Figura 7. Arquitectura bàsica de GSM.

Com podem comprovar, es tracta d’una estructura jeràrquica, on cada Mobile Switching Center (MSC) controla un conjunt de Base Station Controllers (BSC´s), on cadascuna d’elles gestiona un grup de Base Transceiver Station (BTS’s) diferents. Per tant podem dir que una BTS està associada a una i només una BSC i MSC. Els elements de la xarxa GSM més destacats són els següents:

• Mobile Station (MS)

L’MS és tot l’equipament necessari (hardware+software) que és capaç de garantir la comunicació mòbil entre l’usuari i la BTS i que tant pot ser un telèfon mòbil com un ordinador que utilitza un adaptador de xarxa capaç de connectar-se a una BTS. Està format per quatre components fonamentals:

• Mobile Termination (MT) – Funcions de transmissió de dades i handover, codificació i descodificació del senyal, detecció i correcció d’errors i senyalització entre d’altres. Aquestes funcions, en un telèfon mòbil, estan normalment associades a un processador.

• Subscriber Identity Module (SIM) – Identificació d’usuari.

- 16 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Terminal Equipment (TE) – És aquell dispositiu que connectat a la MS li ofereix qualsevol tipus de servei a l’usuari.

• Terminal Adapter (TA) – Proporciona accés al MT com si es tractés d’una terminació de la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI).

• Base Station Subsystem (BSS)

És el conjunt format per la BTS i la BSC. La interfície que va des de la BTS la qual conté tots els equips ràdio, elements radiants, etc. fins la BSC s’anomena A-bis. La BSC és un punt de concentració de tràfic molt important ja que hi arriba un gran nombre de BTS´s de la xarxa.

Base Transceiver System (BTS)

La BTS duu el control de la interfície ràdio entre l’estació base i el terminal d’usuari. Està formada per l’equipament necessari per establir la comunicació, que no és més que els elements radiants (antenes) i la Radio Base Station (RBS). En les figures 8 i 9 podem observar la topologia d’un equip ràdio GSM, així com part dels elements que consitueixen el sistema radiant d’una estació base.

Figura 8. Equip indoor GSM Ericsson 2206 Figura 9. BTS outdoor de Nokia i sistema radiant

Habitualment el disseny de la BTS es fa en format trisectorial, assignant una o més portadores (TRX - radio transceiver) a cada sector, en funció de la capacitat que es vulgui donar a l’àrea de servei.

A cada radio transceiver li és assignada una freqüència en la banda GSM (900 MHz o bé 1800 MHz per a DCS). És força lògic pensar que com major sigui la demanda de tràfic per a un sector determinat, major serà el nombre de recursos a destinar-hi.

- 17 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

La transmissió de veu i dades des del terminal d’usuari fins la BTS és recodificada en aquesta última per adaptar-la als 64 kbps utilitzats en les xarxes de telecomunicacions.

La interfície que transporta el senyal des de la BTS fins la BSC és l’Abís, la qual està estandarditzada per tal que els operadors puguin integrar en la seva xarxa equipament de diferents fabricants ( multi-vendor ).

Base Station Controller (BSC)

La BSC té funcions de control de la comunicació entre la BTS i la MSC, de manera que està connectada físicament a la MSC mitjançant la interfície A. Habitualment, BSC i MSC comparteixen el mateix lloc físic. El mode de funcionament és similar a un switch d’altes prestacions, permetent la configuració a nivell de cel·la (BTS), control de nivell de potència ràdio de la BTS i funcions de handover entre d’altres.

• Network Switching Subsystem (NSS)

Aquest sub-sistema està format per la MSC, l'Home Location Register (HLR), el Visitor Location Register (VLR).

Home Location Register (HLR)

L’HLR és la base de dades utilitzada pels operadors per l’emmagatzematge i la gestió de les dades dels usuaris. Aquesta base de dades és de vital importància per l’operador ja que conté informació relativa als perfils d’usuari, ubicació i activitat recent dels subscriptors. Cada vegada que un usuari és donat d’alta en un operador és registrat en l’HLR.

Authentication Center (AUC)

Proporciona els paràmetres d’encriptació i autenticació amb l’objectiu d’assegurar tant la confidencialitat de la comunicació com la validesa de la identitat dels usuaris. Per l’operador, aquests mecanismes de seguretat són imprescindibles per tal d’evitar el frau a la xarxa mòbil.

Mobile Switching Center (MSC)

La MSC és el nucli de commutació de la xarxa GSM. Exerceix funcions de control i commutació de la trucada dins la xarxa mòbil (funcions de handover ), però també cap a la XTC, les xarxes mòbils d’altres operadors i diverses xarxes de dades.

Qualsevol trucada que té com a origen o destí a un usuari de GSM està controlada per la MSC, les quals estan geogràficament distribuïdes. En funció de la capacitat de la MSC en qüestió, aquesta podrà gestionar un nombre limitat de BSC´s, donat l’alt nombre de BTS´s associades. La connectivitat entre la MSC i la BSC és a través de la interfície A (BSS-MSC layer 3 specification, ETS 300 590 GSM 08.08, ETSI recommendation 1996). Per assegurar màxima compatibilitat entre equips és habitual que l’operador opti per instal·lar BSC´s i MSC´s d’un mateix fabricant (Ericsson, Nokia, etc.).

- 18 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 10. Distribució de BTS’s, BSC i MSC. Figura 11. BSC de Nokia.

3.3. Interfícies i protocols de GSM

La xarxa GSM és capaç d’assegurar la qualitat i la disponibilitat dels recursos necessaris per l’establiment de trucades i el normal funcionament dels terminals dins de la xarxa; això contempla no només l’enllaç ràdio sinó també el tram que comprèn l’estació base fins la xarxa troncal on es processen i s’enruten les trucades. A més també és indispensable assegurar la confidencialitat i la seguretat de les comunicacions a través dels sistemes d’encriptació i l’utilització d’identificadors temporals.

Per tant, dins de la xarxa GSM existeixen una llarga llista d’estàndards i protocols encaminats a donar resposta a totes aquestes qüestions i que han de ser capaços d’adaptar els fluxos d’informació i control entre els diferents sub-sistemes de la xarxa GSM. Per això, els protocols de GSM es divideixen bàsicament en tres capes:

Nivell 1 - Capa física

• Possibilita la transmissió física dels senyals en l’estructura TDMA, FDMA. • Gestiona la qualitat del canal.

Nivell 2 - Capa d’enllaç de dades

• Multiplexa una o més connexions de nivell 2 pel cua fa als canal de senyalització i control.

- 19 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Control de flux i detecció d’errors. • Funcions d’enrutament i control de la qualitat de les transmissions.

Nivell 3 - Capa de xarxa

• Gestió de la connexió en la interfície aire. • Identificació dels usuaris. • Gestió dels serveis GSM com ara SMS, desviament de trucades, etc.

Conceptualment, la capa que resulta més interessant per entendre GSM és la que fa referència al nivell 1, és a dir la capa física.

3.3.1. Capa física de GSM

Des del punt de vista del terminal, el seu mode de funcionament queda definit segons el diagrama de blocs de la figura 12 tant per què fa a la transmissió com a la recepció (procés invers). Tal i com es pot veure, la capa física consta de diferents sistemes interdependents que tenen com a objectiu final generar un senyal a la freqüència de portadora que pugui ser radiat i que contingui les dades d’usuari.

Les funcions principals de la capa física fan referència a la modulació, equalització, codificació de canal i interleaving (per tal de distribuir l’error de burst ).

Figura 12. Diagrama de blocs utilitzats en l’extrem terminal.

- 20 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3.3.1.1. Canals físics i canals lògics

En GSM podem distingir entre el que s’anomenen canals físics, és a dir, els time slots presents en una freqüència de portadora, i els canals lògics, que són una sèrie de canals que estan mapejats dins de cada canal físic i que estan dedicats a una tasca concreta del funcionament de GSM.

El mode de treball dels terminals GSM està regulat segons l’existència d’una sèrie de canals lògics que serviran no només per poder mantenir una conversació per part de l’usuari sinó també per establir la trucada, alliberar-la, executar una maniobra de handover o bé accedir als serveis propis de GSM.

En general podem dividir els canals lògics de GSM en diferents grups segons el tipus de tràfic que transmeten: canals de tràfic i canals de control.

En l’esquema de la figura 13 podem observar com s’agrupen els diferents canals lògics en GSM:

Figura 13. Distribució dels canals lògics de GSM.

Canals de tràfic

• Traffic Channel (TCH) – Transporta les dades corresponents a les trucades i conversacions actives de l’usuari, definides entre el terminal i l’estació base. Existeixen dos modes d’operació en funció de la capacitat del flux de dades de veu d’usuari: mode Half-Rate (TCH/H - 11.4 Kbps) i mode Full-Rate (TCH/F - 22.8 Kbps).

Canals de control

o Canals de difusió - Broadcast Channels (BCH)

• Broadcast Control Channel (BCCH): és l’encarregat de transmetre, des de l’estació base cap al terminal, la informació bàsica de la xarxa i altres paràmetres del sistema com ara dades de l’operador, llistat de cel·les veïnes, etc.

- 21 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Frequency Control Channel (FCCH): indica a l’usuari terminal quina és la freqüència de portadora que ha d’utilitzar i la posició del time slot en la trama GSM a ocupar. Només es transmet en el downlink.

• Synchronization Control Channel (SCCH): la finalitat d’aquest canal és la de sincronitzar el terminal a nivell de trama GSM i la d’informar al terminal quina és la seqüència d’entrenament actual de l’estació base per tal que el mòbil l’adquireixi com a pròpia. Només es transmet en el downlink.

o Canals de control dedicat - Dedicated Control Channels (DCCH)

• Slow Associated Control Channel (SACCH): aquest canal monitoritza i envia permanentment mesures de potència d’altres cel·les que són útils per la decisió del terminal per què fa a handovers, control de potència i timing advance. Treballa conjuntament amb el TCH. • Fast Associated Control Channel (FACCH):treballa conjuntament amb el canal TCH i en gestiona l’ample de banda a l’hora de prendre decisions en les maniobres de handover però també a per l’autenticació en l’establiment de la trucada.

• Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH): és utilitzat en la comunicació entre l’estació base i el terminal per senyalitzar l’establiment d’una trucada abans de l’assignació d’un canal TCH.

o Canals de control comú - Common Control Channels (CCCH)

• Paging Channel (PCH): aquest canal serveix per a que l’estació base alerti al terminal d’usuari que té trucades entrants. Només es transmet en el downlink.

• Random Access Channel (RACH): permet al terminal d’usuari enviar una petició d’un canal de control dedicat després que hagi estat alertat pel canal de paging que té una trucada entrant. Només es transmet en l’uplink.

• Access-Grant Channel (AGCH): l’estació base assigna un canal TCH o SDCCH al terminal. Només es transmet en el downlink.

3.3.1.2. Esquema de modulació GMSK

La modulació Gaussian filtered Mínimum Shift Keying (GMSK) és utilitzada en GSM i pertany a la família de modulacions de fase Phase Shift Keying (PSK), utilitzades en un gran nombre de sistemes de comunicacions digitals.

- 22 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Un dels avantatges que representa l’ús d’aquesta modulació es troba en el fet que, a diferència d’altres modulacions PSK on la presència de lòbuls laterals després de modular pot interferir en freqüències adjacents, utilitza l’espectre de manera molt eficient. Per tal d’assolir-ho GMSK està dissenyat per produir un senyal de sortida sense discontinuïtats de fase, de manera que els canvis freqüencials no afecten a la continuïtat del senyal.

En l’esquema de la figura 14 podem observar com és modulada la informació en l’estructura bàsica MSK. Els canvis de ‘1’ lògic a ‘0’ lògic i viceversa no produeixen discontinuïtats en el senyal MSK de sortida. Malgrat això, és necessari aplicar un filtratge passabaixes Gaussià abans de dur el senyal a la freqüència de portadora per tal d’eliminar, en el domini espectral, els senyals no desitjats al voltant de la freqüència central.

Figura 14. Paraula de 4 bits modulada en MSK.

Al marge que les modulacions de fase presenten una major immunitat a la interferència respecte les modulacions d’amplitud, un altre avantatge de GMSK és que es poden utilitzar amplificadors no lineals per què fa al transmissor del terminal mòbil. Això és de gran utilitat ja que aquests amplificadors són fàcilment integrables en dispositius petits i consumeixen relativament poc en comparació amb altres tipus d’amplificadors, el que porta a una major duració de la bateria de l’usuari.

3.3.1.3. Seqüències d’entrenament

Aquestes seqüències són uns patrons de dades digitals (bits) úniques per cada cel·la i conegudes tant per l’estació base com per l’equip terminal. La finalitat d’aquests senyals és la d’adaptar els paràmetres del receptor en l’extrem terminal a les característiques específiques del canal ràdio de propagació.

La ràfega d’entrenament és transmesa des de l’estació base sobre un canal lògic dedicat concret: Synchronization Control Channel (SCCH). Aquesta informació ajuda al terminal poder decidir, en cas de propagació multicamí, quin és el senyal que ha de seccionar.

- 23 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3.3.1.4. Control de potència

Sabem de la teoria de propagació que amb una certa potència més baixa de transmissió és possible transmetre una ona electromagnètica que es propagui igual de lluny que una altra amb major freqüència i potència de transmissió. És per això que les freqüències de l’ uplink han estat allotjades en la part inferior de l’espectre ja que han de ser emeses des del MS. La potència transmesa des del MS és, en sistemes digitals cel·lulars en general, un factor de disseny crític. Ho és no només per l’estalvi de bateria que pot experimentar l’usuari sinó també per no fer un ús intensiu i continuat de recursos. De fet GSM treballa en mode Discontinous Transmission , a partir del qual el mòbil només transmet potència cap a la BTS quan té dades a comunicar. En els silencis, quan l’usuari està callat, el transmissor està en off i només es torna on quan l’usuari reprèn la conversa.

3.4. Tipus d'equips ràdio

En el disseny de les estacions base, la majoria dels grans fabricants i distribuïdors (Ericsson, Nokia, Motorola, etc.) adeqüen les característiques dels equips a l'entorn on hauran d'estar instal·lats.

Per una part, podem classificar els equips ràdio segons el nivell de cobertura que proporcionaran: micró o macro.

En segon lloc podem establir una altra diferenciació en funció de si l'equip és d'intempèrie ( outdoor ) o bé estarà confinat en una sala habilitada per l'operador (indoor ).

Per tant l'elecció de la Radio Base Station (RBS) és una tasca en el procés de planificació de xarxa i s'ha d'adaptar sempre a les necessitats concretes de l'entorn on s'instal·larà. Normalment, els factors més importants que solen condicionar la tria de l'equip ràdio són els següents:

• Cobertura i capacitat. • Manteniment. • Instal·lació i enginyeria civil associada. • Escalabilitat desitjada.

En el cas d’Ericsson, existeix una llarga llista d’equips GSM (família RBS sèrie 2000) i UMTS (família RBS sèrie 3000) que cobreixen la immensa majoria de situacions típiques.

3.4.1. Prestacions RBS 2206 d’Ericsson

La RBS 2206 d’Ericsson és un dels equips ràdio més utilitzats a nivell mundial en el desplegament de xarxes GSM. Forma part de la família de RBS 2000, fent-la compatible amb tots els altres productes d’aquesta gamma i que sovint formen part de l’arquitectura de xarxa dels grans operadors. - 24 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

La RBS 2206 és un dels productes estrella de la companyia ja que els estàndards de qualitat, instal·lació i operació i manteniment dels equips són del més alt nivell. Aquesta estació base d’alt rendiment ha estat dissenyada per ser instal·lada en espais indoor i oferir cobertura macro. Això significa que el propòsit de la RBS és proporcionar cobertura a través de les antenes connectades a ella, típicament situades en torres de telecomunicacions. El senyal generat des d’una estació base macro pot propagar-se a varis quilòmetres de distància, en funció de la topografia de la zona en qüestió. La parametrització de la potència emesa per l’equip ràdio és el que en defineix la seva naturalesa, sent les RBS’s micros aquelles que estan destinades a proporcionar cobertura indoor , per exemple a centres comercials o edificis, etc.

Fig. 15. La RBS 2206 es un equip ràdio macro indoor.

Les característiques generals més destacades d’aquest equip són les següents:

• Equipat amb 12 transceptors (TRX) compatibles amb GPRS, EDGE i EGPRS. • Suporta configuracions des d’un fins a sis sectors. • Dissenyat per instal·lació indoor . • 16 alarmes externes disponibles per denunciar errors, caigudes de l’equip, etc. Es reporta directament a través del canal de senyalització cap a la BSC. • Quatre interfícies tipus E1/T1 per la transmissió (dos ports RJ-45). • Senyalització LAPD. • Obtenció del rellotge de sincronització a través de senyal GPS extern.

Pel que fa a les prestacions ràdio de la RBS 2206, suporta múltiples freqüències de treball, segons la llicència disponible per l’operador: 800, 900, 1800 i 1900 MHz.

En el cas de la banda dels 900 MHz, les prestacions principals d’aquesta RBS són:

• Receptor: 880-915 MHz. • Transmissor: 925-960 MHz. • Ample de banda de portadora: 200 KHz. • Canals disponibles per portadora: 8 canals. • Modulació: GMSK per mode GSM i 8-PSK per a EDGE. • Separació dúplex: 45 MHz. • Potència de sortida: controlada dinàmicament en un marge de 30 dv i passos de 2 dv.

- 25 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3.5. Operativa de xarxa

3.5.1. Time Advance System

En uplink cada MS d’una BTS emet una ràfega d’informació durant un període determinat de temps, completant el seu time slot. És de vital importància que en un moment determinat, només un MS transmeti informació, ja que si diferents terminals intentessin transmetre contra la BTS en un mateix instant, es produirien col·lisions. Les xarxes que utilitzen TDMA com a tècnica d’accés al medi requereixen de mecanismes de sincronització.

El problema d’aquest mètode de transmissió cap a la BTS és que l’MS pot estar en moviment. Això provoca que el retard de propagació del senyal que viatja cap a la BTS sigui variable i per tant no sempre es pugui transmetre en el mateix instant de temps ja que això pot significar solapar-se sobre el time slot d’un altre usuari. Perquè això no passi s’utilitza un interval de guarda en la ràfega d’usuari, tal i com s’indica en la figura 16:

Figura 16. Format del time slot d’usuari transmès cap a la BTS.

Per evitar amb tota seguretat un solapament entre els time slots de diferents usuaris caldria que el temps de guarda fos molt elevat, cosa que resultaria molt poc eficient ja que implicaria esperar molt de temps després de cada transmissió, resultant en una capacitat molt baixa d’usuaris a la xarxa.

Per a solucionar aquest problema GSM utilitza la tècnica time advance, a partir de la qual cada terminal coneix la seva posició respecte l’estació base en el que es refereix al retard de propagació.

Mitjançant l’intercanvi de ràfegues del tipus access burst entre totes dues entitats, l’estació base calcula la diferència temporal entre l’instant en què hauria de rebre la ràfega enviada des del terminal i l’instant en què realment la rev. Un cop coneguda la

- 26 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

diferència temporal, aquesta s’envia de nou cap al terminal perquè aquest avanci el seu temps de transmissió, de manera que finalment tots dos estan sincronitzats i el retard de propagació ha estat compensat. Perquè el sistema sigui fiable, aquesta és una tècnica que s’executa permanentment per actualitzar l’interval de transmissió segons els canvis de posició de l’usuari respecte de l’estació base.

3.5.2. Establiment de trucada

Des del punt de vista de la interfície aire, l’establiment d’una trucada comporta un intercanvi d’informació des del terminal d’usuari fins l’estació base (la qual forma part, de manera més genèrica, del BSS). Per ser més precisos intervenen en aquest procés una sèrie de canals lògics tal i com s’indica en l’esquema de la figura 17:

Figura 17. Canals lògics que intervenen en l’establiment d’una trucada GSM.

En primer lloc, en el moment d’originar la trucada, s’envia una petició de canal de senyalització a través del RACH. Per la seva part la BSC informa, mitjançant l’AGCH, de l’assignació d’un canal de senyalització SDCCH, el qual serà el que el terminal farà servir posteriorment per l’enviament de la petició de trucada. La MSC processarà aquesta petició i en cas que doni llum verda, li indicarà a la BSC a la qual pertany la BTS que li assigni un canal de tràfic TCH. Finalment, si tot s’ha desenvolupat amb èxit, la BTS li proporciona al terminal els recursos ràdio necessaris i un canal de tràfic per poder iniciar la trucada i transmetre les dades.

3.5.3. Handover intercel·la

Quan la qualitat de l’enllaç ràdio entre el terminal d’usuari i l’estació base es degrada per sota d’un llindar establert, el mecanisme de handover assegura la transferència del servei associat al terminal GSM mitjançant la connexió amb una nova cel·la, amb millors característiques ràdio.

El procediment es duu a terme a través de la monitorització, per part del terminal mòbil, de les potències de les cel·les adjacents detectades com a veïnes. Aquesta informació s’envia cap a l’estació base mitjançant el canal SACCH. En el cas que cap

- 27 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

de les possibles cel·les destí pertanyin a l’estació base actual, estarem parlant d’un handover intercel·la.

Per últim, i en funció del tipus de sincronització requerit, existeixen dues maneres per completar el procés i que es denominen handover síncron i handover asíncron. La primera d’elles sincronitza la cel·la origen amb la destí i en el procés es reconfigura el paràmetre del time advance per ajustar l’instant òptim de transmissió de dades. En la segona, la sincronització es duu a terme només en la cel·la destí i el temps que comporta és pràcticament el doble respecte el que representa el handover síncron (uns 200 ms aproximadament).

3.6. Serveis GSM

Podem classificar els serveis que GSM ofereix en tres categories diferents: teleserveis, serveis de dades i serveis suplementaris. En la taula de la figura 18 es descriuen els serveis oferts per GSM:

Teleserveis Serveis de dades Serveis suplementaris

SMS, fins a 169 Veu mòbil Restricció de trucades caràcters

Trucades Servei de bústia de Tarificació d’emergència veu

Servei de fax Trucada en espera

Servei de correu Terminació de trucades

electrònic d’usuaris ocupats

Grups tancats d’usuaris

Closed User Group (CUG)

Redireccionament de

trucades

Manteniment i transferència

de trucada

Multiconferència Multi Party

Call Conferencing (MPCC)

Identificació de trucada Caller Line Identification Presentation (CLIP)

Figura 18. Serveis GSM.

- 28 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3.7. Escenari Post-GSM

Un cop els operadors van haver implantat en major o menor mesura GSM, es va presentar un nou repte: l’oferiment de nous serveis capaços de satisfer les noves necessitats dels usuaris.

De manera paral·lela, cap a l’any 2000 es va començar a produir un fort desenvolupament de la xarxa telefònica commutada (XTC) basada en commutació de circuits. El ràpid creixement del nombre de línies va suposar una plataforma excel·lent per tal que els principals operadors de telefonia fixa poguessin implantar una xarxa digital extrem a extrem. La gran tecnologia precursora va ser la Xarxa Digital de Serveis Integrats (XDSI), la qual no va acabar d’imposar-se entre el gran públic. En aquest sentit no va ser fins la implantació de la Assymetric Digital Subscriber Line (ADSL) quan vertaderament es van poder oferir altes velocitats de connexió i accés a noves aplicacions. En la gràfica de la figura 19 observem el gran creixement en les línies domèstiques de banda ampla als Estats Units a principis de la dècada passada.

D’aquesta manera els usuaris de GSM van veure com s’experimentaven grans increments per què fa a ample de banda en connexions fixes (el que oferia majors velocitats de connexió) però en entorns mòbils aquest increment no es produïa. En certs aspectes la xarxa GSM va quedar obsoleta en el sentit que no permetia descàrregues de dades a gran velocitat, o en tot cas, no a la velocitat ni amb les prestacions desitjades.

Figura 19. Nombre de línies ADSL i cable-modem als EUA. Font: U.S. Department of Justice.

En aquest sentit cal tenir present que GSM era una xarxa optimitzada per la transmissió de veu i no pas de dades. Les primeres passes per compatibilitzar la transmissió de dades sobre l’estàndard GSM van tenir com a resultat la implementació de la tecnologia General Packet Radio Service (GPRS). Aquest tipus de connexió habilita els terminals GSM per treballar en mode commutació de paquets sobre la mateixa estructura de xarxa.

- 29 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

3.7.1. GPRS

Les connexions GPRS possibiliten als usuaris amb terminals GSM poder accedir a una sèrie de serveis com ara per exemple Wireless Application Protocol (WAP), Short Message Service (SMS), Multimèdia Message Service (MMS) i Internet mitjançant la comunicació de paquets en la xarxa GSM. L’establiment del servei es dóna gràcies a l’existència dels Access Point Name (APN) que actuen com a proveïdors del servei.

La xarxa assigna a cada usuari un bloc temporal en una freqüència de portadora concreta per la transmissió i recepció de dades. El fet que GPRS aporti velocitats de transmissió i recepció més elevades respecte a GSM es deu al fet que GPRS permet que els terminals gestionin quatre canals simultanis en transmissió i dos en recepció, mentre que en GSM és un únic canal en ambdós sentits (xarxa a terminal i terminal a xarxa).

A més, sobre aquest mateix canal físic s’aplica una multiplexació estadística entre usuaris, el que significa que tots ells poden compartir un canal concret. La naturalesa de les connexions de dades en general, a diferència de la transmissió de veu, és a base de ràfegues. Per tant quan un usuari no està transmetent cap tipus d’informació (període inactiu), el canal pot ser utilitzat per un altre usuari.

Tots aquests factors possibiliten que amb GPRS els terminals obtinguin velocitats de transmissió de fins a 60 kbps, enfront dels 9.6 Kbps útils de GSM (la trama sencera GSM es transmet a 270 Kbps però això inclou intervals de guarda, bits de sincronització i el fet que és compartida entre diferents time slots d’usuari).

Davant del fet que ni GSM ni la seva extensió GPRS no podia ser tecnologies que lideressin la banda ampla mòbil, els operadors mòbils van haver d’escollir quina era la millor estratègia de futur per dotar de major capacitat a la xarxa existent. En aquell moment es podia optar per la implantació de Enhanced Data rates for GSM of Evolution (EDGE) o bé migrar a sistemes Wideband Code Division Múltiple Access (WCDMA).

3.7.2. EDGE

EDGE (també anomenat Enhanced GPRS) és l’evolució natural de GSM i GPRS i es troba a mig camí entre 2G i 3G. Funciona amb transferències de dades basades en commutació de paquets que poden arribar fins als 384 kbps. Es tracta d’una solució més segura de cara a l’ampliació de la xarxa ja existent, donat que funciona sobre qualsevol xarxa GSM que tingui implantat GPRS, però en canvi no tots els terminals mòbils d’usuari suporten aquesta tecnologia. De fet, per la implantació d’EDGE per part dels operadors no calen canvis a la xarxa troncal com ara nou software i hardware, però sí a les estacions base (cal modificar els transceptors per fer-los compatibles) i als terminals d’usuari. Aquests també han de ser compatibles per què fa al software , ja que han de ser capaços de modular i desmodular els nous esquemes de codificació.

L’avantatge d’EDGE respecte GSM radica en el fet que utilitza 8-PSK com a esquema de modulació en la majoria de les seves capes. Fins i tot en algunes especificacions d’EDGE la modulació té una constel·lació en 16QAM i 32QAM (veure figura 15), el que

- 30 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

fa que l’ample de banda augmenti de forma significativa respecte a GSM. La tria d’un o altre esquema de modulació respon a criteris de qualitat del canal i aquesta ‘intel·ligència’ apropa EDGE a les tecnologies detectarà generació com WCDMA.

EDGE té diversos modes de funcionament; en la figura 20 podem observar les velocitats de descàrrega de pic assolibles. En GSM convencional tenim una velocitat màxima de 270 kbps per canal, sense tenir en compte que s’ha de descomptar la senyalització, intervals de guarda, etc.

Figura 20. Velocitats de transferència de dades en EDGE, segons release.

De fet, un bon nombre d’operadors d’arreu van optar per EDGE com a tecnologia de banda ampla per davant de WCDMA.

3.7.3. La transició cap a WCDMA

En el moment de valorar les opcions per implantar WCDMA, un dels perills que es plantejaven era que els operadors havien de garantir una transició suau per què fa a la qualitat del servei de veu experimentada per l’usuari en modalitat GSM. En aquest sentit calia que la xarxa WCDMA fos prou robusta com perquè no hi hagués una degradació en la qualitat de veu a la xarxa GSM.

Per solucionar aquest problema es requeria d’una tecnologia que fos capaç de complir diversos criteris mínims. D’una banda havia de suportar totes les prestacions assolides sobre GSM, i de l’altra donar major capacitat als usuaris per què fa a la descàrrega de dades en un entorn mòbil.

Una de les principals limitacions de GSM és que va ser una tecnologia pensada per tenir un òptim funcionament per a tràfic de veu, no pas per la transmissió de dades. Aquí va ser on WCDMA podia oferir un salt de qualitat.

També calia tenir en compte que la banda de freqüències de treball en WCDMA és major que la de GSM, de forma que la cobertura indoor es pot veure afectada significativament.

- 31 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Això indicava que la migració de 2G a 3G s’havia de fer de forma gradual i que fins i tot podrien conviure durant cert temps. Finalment això és el què ha acabat passant, WCDMA no ha substituït pas a GSM sinó que ha esdevingut una xarxa suplementària. En la figura 21 podem observar, de forma simplificada la transició des de tecnologies 2G cap a 3G:

Figura 21. Evolució dels estàndards de telefonia mòbil de segona i tercera generació.

En aquest escenari, els principals subministradors van haver de dissenyar una política de funcionament dels seus equips que permetés que l’usuari, de manera transparent, seleccionés la xarxa que més li convenia en funció de la disponibilitat de la mateixa i de les prestacions que li oferia. Això significa que un usuari que està mantenint una sessió de veu sobre UMTS, si veu molt degradat el seu senyal ja que per exemple s’està allunyant de l’estació base, ha de fer handover a 2G permetent així seguir amb la trucada sense percebre-ho.

Un altre factor destacable és que des del punt de vista tecnològic GSM està limitat per què fa a capacitat. Cada portadora ocupa 200 KHz, els quals transporten fins a vuit canals de tràfic. Això significa que, sobretot en àrees urbanes, tenim una limitació en el nombre de connexions que es poden establir. El creixement demogràfic i l’ús cada cop més extensiu de les tecnologies de telefonia mòbil en la nostra societat fan que, en sistemes GSM propers a la saturació, l’augment de la capacitat passi per l’augment en el nombre de portadores. Per tant calia pensar una tecnologia que fos capaç d’optimitzar la utilització de la xarxa en comptes d’augmentar el nombre de recursos.

El factor tecnològic limitant no és l'única raó que va fer evolucionar GSM cap a UMTS. Els sistemes GSM van ser dissenyats a principis dels anys vuitanta, on les necessitats de connexió d’usuaris a la xarxa mòbil eren ben diferents a les que ens podem trobar ara mateix. Quan GSM va ser concebuda es va prioritzar el tràfic de veu com a eix vertebrador de la xarxa.

En aquests moments el tràfic de veu representa un volum important en les xarxes dels operadors mòbils. Malgrat tot, les necessitats dels usuaris han canviat radicalment des dels anys vuitanta. En aquests moments el tràfic de veu conviu amb el tràfic de dades (malgrat tots dos són dades, s’entén que el primer transporta converses de veu) de diferents característiques: vídeo en temps real, aplicacions multimèdia, accés a Internet, etc. El tràfic de dades representa cada cop una part més important en el

- 32 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

volum total d’informació que circula per la xarxa, i s’espera que encara adquireixi més importància en els propers anys.

Per això calia migrar cap a una tecnologia que fos capaç d’oferir tots aquests nous serveis i a més, pogués fer-ho d’una manera més eficient del que ho podien fer tecnologies basades en GSM com per exemple GPRS – EDGE.

En aquest sentit, la poca flexibilitat de la interfície aire de GSM és realment el factor limitant ja que només pot gestionar tràfic de veu. En canvi UMTS sí permet la transmissió de dades de naturalesa diversa, adaptant dinàmicament l’ús de recursos en funció de les característiques de cada aplicació. La xarxa d’accés d’UMTS és capaç de gestionar diferents bit-rates segons la qualitat requerida a cada connexió i multiplexar-les en un únic flux de dades. L’ample de banda restant es pot reaprofitar per a la connexió d’altres aplicacions, resultant en una utilització molt més eficient de l’espectre respecte a GSM.

Des del punt de vista d’una estació base, l’ample de banda disponible per a cada usuari també és major en WCDMA respecte a GSM; tot i no ser molt més elevat, sí que representa una millora en les prestacions ofertes als usuaris. Teòricament, utilitzant GSM basat en GPRS la velocitat màxima de transferència de dades que un terminal pot experimentar és propera a 60 Kbps; si s’utilitza EDGE aquesta xifra augmenta fins als 384 Kbps; en canvi, en WCDMA pot arribar fins als 2 Mbps. En el cas d’EDGE s’estaria utilitzant una portadora sencera amb la qual cosa, si un altre usuari volgués mantenir una conversa de veu hauria d’utilitzar una altra portadora disponible de la BTS. En canvi en WCDMA, quan un usuari fa servir la major part de l’ample de banda, a l’haver-hi només un canal de downlink , deixa la resta d’usuaris amb un ample da banda molt reduït. Malgrat tot, això no representa un problema per a WCDMA ja aquests pics en les velocitats de transferència de dades per usuari es donen només de forma discontinua (a ràfegues). En la taula de la figura 22 trobem resumides les màximes velocitats de descàrrega teòriques per què fa a les tecnologies d’accés GSM, EDGE i WCDMA (UMTS):

Figura 22. Màximes taxes de transferència de dades teòriques.

- 33 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4. WCDMA – 3G

Quan parlem de 3G, fem referència a les tecnologies i sistemes de telefonia mòbil de tercera generació que possibiliten la transmissió de veu i dades des d'un terminal mòbil. Sovint s'utilitza també la terminologia UMTS, referida a la implementació de la tecnologia a Europa, Japó i Estats Units per ubicar tota una sèrie d’estàndards que es basen en la xarxa mòbil de tercera generació.

4.1. Conceptes previs

4.1.1. 3GPP - 3rd Generation Partnership Project

L’organisme que estandarditza qüestions relatives a les xarxes de telefonia mòbil 3G, especialment les que fan referència a la part ràdio, és el conegut 3GPP. Aquest organisme va ser constituït l’any 1998 amb el suport de l’ETSI (Europa), ARIB/TTC (Japó), CCSA (Xina), ATIS (Amèrica del Nord) i la TTA (Corea del Sud).

Un dels seus grans èxits fins ara ha estat el disseny de High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), el que significa un avanç important en l’evolució del Wideband Code Division Múltiple Access (WCDMA) per obtenir elevades velocitats de transferència.

L’objectiu inicial del 3GPP va ser donar un sentit global a la indústria de les comunicacions mòbils, estandarditzant i afavorint el desenvolupament de la tecnologia 3G basada no només en WCDMA (UTRA-FDD) però també en sistemes TD-CDMA (UTRA-TDD).

En la figura 23 podem observar quina ha estat l’evolució dels estàndards del 3GPP fins l’aparició de HSDPA (R5) i HSUPA (R6) pel cas de l’uplink. L’estàndard basat en WCDMA, anterior a l’evolució de les tecnologies de commutació de paquets, és conegut com Release 99 (R99).

Figura 23. Evolució del estàndards del 3GPP.

- 34 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.1.2. Radio Access Network (RAN)

En general, quan es parla de RAN s’està fent referència a la xarxa d’accés ràdio entre l’UE i la Core Network (CN), tant per a xarxes GSM com UMTS. Dit d’una altra manera és el que permet a un usuari mòbil connectar-se als serveis oferts per l’operador mitjançant la interfície aire.

4.1.3. Diferenciació entre UMTS i WCDMA

La nomenclatura UMTS va ser designada per aglutinar tot un conjunt d’estàndards i protocols avançats de comunicació que substituïen els implementats en GSM i de forma més general, en les tecnologies basades en 2G.

Molt abans del desenvolupament de les tecnologies 3G de telefonia mòbil cel·lular, la companyia nord-americana Qualcomm ja liderava el mercat de les comunicacions basades en CDMA. Qualcomm va ser la precursora del primer estàndard cel·lular de comunicació ràdio basat en multiplexació per codi, el qual fou conegut com a IS-95 i que va evolucionar més tard a CDMA2000.

Amb l’aparició dels organismes d’estandardització 3GPP i 3GPP2 es va intentar arribar a un punt comú d’acord per donar una solució compatible per als sistemes WCDMA i CDMA2000 adoptats fins al moment.

Finalment, però, va ser WCDMA la tecnologia d’accés escollida per ser implementada mundialment en tots els sistemes 3G. A dia d’avui forma part de la família d’estàndards 3G de la ITU IMT-2000, i a principis de 2008 ja havia esdevingut l’estàndard utilitzat en la interfície aire a 83 països i 190 xarxes arreu del món

Quan fem referència a WCDMA estem, implícitament, parlant de UMTS.

4.1.4. WCDMA

WCDMA és la tecnologia mòbil sense fils de tercera generació que augmenta la taxa de transmissió de dades dels sistemes GSM utilitzant CDMA en comptes de Time Division Múltiple Access (TDMA ), fet que fa que ofereixi velocitats de dades molt més elevades en dispositius mòbils.

WCDMA està dissenyat per suportar una taxa transferència de dades que va des de 144 fins als 512 Kbps per a àmplies àrees de cobertura, i es pot arribar fins els 2Mbps per al cas de major cobertura en àrees locals. En sistemes WCDMA, la interfície aire de CDMA es combina amb les xarxes basades en GSM. L’estàndard WCDMA va ser desenvolupat pel 3GPP per assegurar la interoperabilitat entre diverses xarxes 3G.

Així doncs l’estàndard que ha desenvolupat el 3GPP es basa en el sistema de telecomunicació mòbil universal de l’ETSI (UMTS) i es coneix popularment com a UTRA (Universal Terrestrial Radio Access). L’esquema d’accés per a UTRA és DS- CDMA (Direct Sequence-Code Division Múltiple Access). La informació s’estén per

- 35 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

una finestra d’aproximadament 5 MHz. Aquest ample de banda és major respecte el que ocupa un canal Wideband CDMA o WCDMA.

En WCDMA, hi ha dos modes d’operació:

• TDD: En aquest mode bidireccional, les transmissions de l’ uplink i el downlink són transportades en la mateixa banda de freqüències, però usant intervals de temps independents ( time slots ) de forma síncrona.

• FDD: Els enllaços de les transmissions uplink i downlink fan servir dues bandes de freqüència separades. Un parell de bandes de freqüència amb una separació específica s’assigna per a cada enllaç. Com que diferents regions tenen diferents esquemes d’assignació espectral, la capacitat de funcionar en mode FDD o TDD permet l’utilització eficient de l’ample de banda disponible.

4.1.5. UMTS Terrestrial Radio Access Networks (UTRAN)

Es refereix als diferents elements de la xarxa UMTS que permeten la comunicació mòbil en un sistema UMTS; això és, les estacions base ( Node B ) i les Radio Network Controller (RNC).

4.2. Característiques principals

1. Ample de banda de canal ( uplink i downlink ): 5 MHz. 2. Possibilitat de treballar tant en mode FDD com TDD. 3. Duració de la trama ràdio: 10 ms. 4. Modulació QPSK per al downlink i BPSK per a l’ uplink. 5. Alta velocitat de chipping (3.84 Mcps) possibilitant la descàrrega de dades fins a 2 Mbps. 6. Detecció coherent en uplink i downlink mitjançant la utilització de símbols pilot. 7. Control de potència adaptatiu en downlink . 8. Utilització de múltiples codis i seqüències d’ spreading per adaptar el flux de dades als diferents serveis disponibles. 9. Sensibilitat dels receptors: Node B: -121 dBm ; Mòbil: -117 dBm per BER=10ˆ-3 10. Nombre màxim de codis d’identificació per estació base: 512. 11. Nombre màxim de codis d’ spreading a la capa física: 256 per l’ uplink i 512 pel downlink. 12. En el mode FDD existeixen fins a 14 bandes espectrals de treball, segons síndica a la taula de la figura 24:

- 36 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Freqüència de Número de Número de Banda de transmissió canal canal freqüència Regió uplink/downlink (UARFCN) (UARFCN) (MHz) (MHz) uplink downlink Europe, Àsia, Africa, Oceania (Telstra, 1920 - 1980 2100 9612 - 9888 10562 - 10838 Optus, Vodafone AU, 2110 - 2170 Three Mobile AU), Brazil Americas (AT&T, Bell 1850 - 1910 9262 - 9538 9662 - 9938 1900 Mobility, Telcel, Telus, 1930 - 1990 and additional and additional Rogers)

1710 - 1785 1800 937 - 1288 1162 - 1513 Europe, Asia, Oceania 1805 - 1880

USA (T-Mobile, Cincinnati Bell 1710 - 1755 1312 - 1513 1537 - 1738 Wireless), Canada 1700 2110 - 2155 and additional and additional (WIND Mobile, Mobilicity, Videotron), Chile (VTR, Nextel)

Americas (AT&T, Bell 824 - 849 4132 - 4233 4357 - 4458 Mobility, Telcel, Telus, 850 869 - 894 and additional and additional Rogers), Oceania (Telstra, Telecom NZ)

4162 - 4188 4387 - 4413 830 - 840 800 additional additional Japan (NTT DoCoMo) 875 - 885 812, 837 1037, 1062

2500 - 2570 2012 - 2338 2237 - 2563 2600 Europe (future) 2620 - 2690 and additional and additional

Europe, Asia, Oceania (Optus, Vodafone AU, 880 - 915 Vodafone NZ), 900 2712 - 2863 2937 - 3088 925 - 960 Dominican Republic (Orange), Venezuela (Digitel GSM) 1749.9 - 1784.9 Japan (E Mobile, NTT 1700 8762 - 8912 9237 - 9387 1844.9 - 1879.9 DoCoMo) 1710 - 1770 2887 - 3163 3112 - 3388 1700 2110 - 2170 and additional and additional

1427.9 - 1447.9 1500 3487 - 3562 3712 - 3787 Japan (Softbank) 1475.9 - 1495.9

698 - 716 3612–3678 3837–3903 USA (future) (lower 700 728 - 746 and additional and additional SMH blocks A/B/C)

- 37 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Freqüència de Número de Número de Banda de transmissió canal canal freqüència Regió uplink/downlink (UARFCN) (UARFCN) (MHz) (MHz) uplink downlink 3792–3818 4017–4043 777 - 787 USA (future) (upper 700 additional additional 746 - 756 SMH block C) 3842, 3867 4067, 4092 3892–3918 4117–4143 788 - 798 USA (future) (upper 700 additional additional 758 - 768 SMH block D) 3942, 3967 4167, 4192

Figura 24. Freqüències de canalització per a la tecnologia WCDMA.

Però el que sense cap mena de dubte resulta més innovador en WCDMA respecte GSM és la reutilització de freqüències. Com hem vist anteriorment, GSM es basa en una estructura cel·lular que funciona amb accés FDMA. Cada portadora té un ample de banda de 200 KHz i s’assigna una o més freqüències diferents per cada cel·la; per tal d’evitar interferències, i donat que cada operador només disposa d’un ample de banda total limitat (nombre de portadores limitat), cal que es vagin reutilitzant les mateixes freqüències en diverses cel·les de la xarxa. És el que es coneix com el patró de repetició de freqüències, i és un factor de disseny que varia en funció de la distribució de les BTS’s i de la densitat geogràfica de cel·les GSM.

En canvi, WCDMA deixa de banda completament el mode d’accés FDMA i passa a la multiplexació per divisió en codi CDMA. D’aquesta manera, la freqüència ja no és un domini discret sobre el que s’hagin de dissenyar les cel·les, sinó que les portadores de WCDMA de cada operador sempre estan fixades al mateix valor. En l’esquema de la figura 25 podem observar l’esquema de reutilització tant per GSM com per WCDMA:

Figura 25. Factors de reutilització freqüencial en GSM i WCDMA.

Els usuaris actius dins de les cel·les WCDMA estan multiplexats en el domini del codi; a cadascun d’ells se li assigna un codi per transmetre de manera que és ortogonal a la resta de codis existents per assegurar una mínima interferència entre usuaris. Un dels

- 38 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

grans avantatges de l’accés CDMA és que al marge de que utilitza molt més eficientment l’espectre disponible, la capacitat que suporta és força superior a la de GSM, on s’utilitza un accés mixt FDMA i TDMA.

Un exemple de l’estructura espectral de WCDMA és l’adjunta en la figura 26. Comprovem que passem a tenir una sola portadora d’un ample de banda molt superior al de GSM (5 MHz) i amb una potència inferior. La freqüència central de portadora (Fc) de l’operador es defineix segons el UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number (UARFCN) mitjançant la següent fórmula:

Fc = UARFCN * 200 KHz

Figura 26. Exemple de canalització WCDMA.

4.3. Arquitectura de xarxa

Des d’un principi, la màxima prioritat del disseny de l’arquitectura de la xarxa 3G basada en WCDMA va ser millorar l’arquitectura existent en GSM. En aquest sentit, tant els elements de la xarxa com les funcions que aquests desenvolupen han estat dissenyats per oferir una major eficiència respecte els existents en 2G, però també per adaptar-se a les noves característiques de tràfic de dades que les xarxes 3G són capaces d’oferir. En la figura 27 podem observar quina és la jerarquia i l’estructura de la xarxa 3G:

- 39 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 27 . Estructura i interfícies de la xarxa RAN de WCDMA.

La topologia de la xarxa d’accés de 3G basada en WCDMA està formada, principalment, per tres elements diferents:

• Core Network : duu a terme la gestió i el processat de la informació de tots els elements de xarxa de manera centralitzada. El seu equivalent en GSM és el NSS

• Radio Network Subsystem : està format, entre d’altres, per les RNC’s i els Nodes B de la xarxa i s’encarrega de gestionar tot el que fa referència a la interfície aire de les comunicacions del sistema. El seu equivalent en GSM és la BSS.

• Mobile Station : és l’element que connecta l’usuari amb la xarxa i pot ser tant un telèfon mòbil com un adaptador de xarxa com qualsevol tipus de terminal de dades amb connectivitat 3G.

Una de les principals novetats respecte l’estructura de la xarxa GSM és que les xarxes basades en aquesta arquitectura poden oferir tràfic de diferent naturalesa, des del basat en commutació de circuits fins a tràfic IP de commutació de paquets.

Com podem veure en el diagrama de la figura 27, existeixen quatre tipus diferents d’interfícies en aquesta arquitectura. D’una banda, l’Uu és la interfície aire que connecta l’usuari ( Mobile Station ) amb el Node B. La continuació a partir del Node B és l’Iub, que és el camí que queda definit des d’aquest últim fins la RNC.

L’IuR és la interfície que interconnecta dues RNC´s diferents (necessària entre d’altres per transferir una trucada entre dues cel·les que pertanyen a diferents RNC’s).

Per últim ja tenim l’IuCS i l’IuPS, que són les connexions des de la RNC cap a la CN, la primera d’elles per les comunicacions basades en commutació de circuits i la segona en commutació de paquets.

- 40 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.3.1. Core Network

Aquesta entitat és la que s’encarrega d’interconnectar la xarxa 3G amb la resta de xarxes existents, ja siguin la pública de telefonia fixa, de dades o la mòbil d’altres operadores.

El disseny del nucli de la xarxa ha estat implementat en funció del tipus de tràfic possible en 3G i per tant es pot diferenciar en dues grans àrees:

• Dispositius orientats a la commutació de circuits : la seva funció és la gestió del tràfic de veu de forma similar a GSM, per tal de mantenir, per exemple, un canal corresponent a una trucada de veu d’un usuari. Entre ells, destaca la MSC (de forma anàloga a GSM) i la GMSC, la qual fa d’enllaç amb les altres xarxes de telecomunicacions.

• Dispositius orientats a la commutació de paquets : aquests elements estan destinats a gestionar el transport del tràfic de dades i els dispositius més destacats són:

Serving GPRS Support Node (SGSN): aquest element de la xarxa va ser implementat coincidint amb la introducció de la tecnologia GPRS a les xarxes 2G, però ha continuat existint com a part del nucli de xarxa en 3G. Les seves funcions principals són la gestió de la mobilitat i la sessió del terminal, facturació i interacció amb altres elements de la xarxa troncal.

Gateway GPRS Support Node (GGSN): aquest element de xarxa també va ser implementat un cop GPRS va ser comercialitzat. En aquest cas desenvolupa funcions d’enrutament entre la xarxa de commutació de paquets de l’operador i d’altres xarxes de commutació de paquets. En certa manera pot quedar definir com un router amb funcions avançades.

Home Location Register (HLR): de la mateixa manera que en GSM, aquest element emmagatzema tota la informació administrativa de cada usuari de l’operador mòbil, juntament amb la seva última posició coneguda dins la xarxa mòbil. Només així es pot enrutar una trucada cap a un usuari que es trobi sota un domini concret de RNC / Node B.

Equipment Identity Register (EIR): és qui decideix si es dóna accés o no al servei de telefonia mòbil per part de l’usuari que vol establir la connexió. És utilitzat conjuntament amb el International Mobile Equipment Identity (IMEI) per autenticar els subscriptors.

Authentication centre (AUC): és una base de dades protegida que conté informació relacionada amb els usuaris donats d’alta en l’operador.

- 41 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 28. Elements clau del Core Network en 3G.

4.3.2. Radio Network Subsystem

Aquesta entitat és el nexe d’unió entre el Core Network i el terminal mòbil ( Mobile Station ). Com hem vist anteriorment, la xarxa d’accés ràdio en WCDMA és coneguda com a UTRAN i està formada per dos elements principals:

• Radio Network Controller (RNC): la seva missió és controlar tots els Nodes B que depenen d’ell. La RNC assumeix el control d’algunes funcionalitats (no totes) de la interfície aire de comunicació entre el Node B i els terminals. A més, és el lloc de la xarxa on comença l’encriptació de la informació.

• Node B: aquesta és la designació per al transceptor ubicat a l’estació base que serveix per la comunicació entre terminal i xarxa. Cada Node B pertany a una i només una RNC. Cada Node B està configurat per diferents cel·les.

Figura 29. Elements clau del Radio Network Subsystem en 3G.

- 42 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.3.3. Mobile Station

És l’element que permet a un usuari connectar-se a la xarxa 3G i gaudir de les aplicacions i serveis associats de l’operador. En certes ocasions també podem parlar del User Equipment (UE). En general, existeixen algunes diferències importants respecte els terminals 2G, sobretot per què fa referència a les característiques ràdio dels transceptors.

Els mòduls més destacats del terminal d’usuari són els circuits de radiofreqüència, els del processat del senyal en banda base, la bateria i la Universal Subscriber Identity Module (USIM), la qual conté informació associada a l’usuari necessària per la’utenticacióalfabetització i la configuració del terminal.

Segons la figura 30, una gran varietat de terminals es poden utilitzar per aquesta funció, a banda dels telèfons, adaptadors de xarxa i altres dispositius mòbils:

Figura 30. Diferents tipus de Mobile Station en 3G.

4.4. Arquitectura de protocols 3G

La interfície aire de WCDMA es pot dividir en tres nivells diferents, de manera que l’arquitectura de protocols queda distribuïda de la següent forma:

• Capa física (nivell 1, L1).

• Capa d’enllaç de dades (nivell 2, L2).

• Capa de xarxa (nivell 3, L3).

La capes que son conceptualment més interessants són la de nivell 1 (capa física) i la de nivell 3 (capa de xarxa) i per tant seran objecte d’un estudi més minuciós respecte la capa d’enllaç. En qualsevol cas, la capa d’enllaç utilitza el protocol Radio Link

- 43 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Control (RLC), el qual fa funcions de segmentació de paquets IP, gestió del protocol ARQ i reclamació de retransmissió de la trama en cas d’errors.

Com podem comprovar l’estructura de WCDMA és idèntica a la de GSM per què fa a la segmentació per capes. En l’esquema de la figura 31 podem observar, tant en el pla de control com en el d’usuari, la distribució dels diferents protocols de WCDMA:

Figura 31. Arquitectura de protocols de la interfície ràdio de 3G.

En l’estructura de protocols de la figura 31 és important diferenciar els tres tipus de canals que existeixen:

• Canals físics: associats a la capa física de nivell 1, defineixen exactament les característiques de més baix nivell del canal ràdio sobre el que es transmet.

• Canals de transport: associats a la capa d’enllaç de nivell 2, defineixen com i amb quines condicions es transfereixen les dades des de la capa física.

• Canals lògics: associats a la capa de xarxa de nivell 3, defineixen quin tipus de dades es transmeten en funció de la seva naturalesa (control, dades d’usuari, sincronització, etc.).

4.4.1. Capa física de WCDMA

Com hem vist anteriorment, WCDMA multiplexa els usuaris en el domini del codi per assegurar que la transmissió i recepció de dades no provoca interferències entre ells. Per tal d’aconseguir-ho s’utilitzen funcions ortogonals amb correlació zero. Els avantatges que proporciona aquesta tècnica són diversos:

• Alta seguretat i confiabilitat de les comunicacions.

- 44 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Suport per un gran nombre d’usuaris mitjançant la multiplexació per codis.

• Alta eficiència espectral.

• Elevat flux de transferència de dades i variabilitat en les transmissions.

• Multiplexació de diferents serveis sobre una mateixa connexió física.

• Compatibilitat de la xarxa d’accés amb el món IP.

Les principals funcions de la capa física són la detecció d’errors, la multiplexació i de- multiplexació de la informació, modulació, handover , funció d’ spreading i despreading i mesures de VER i control de potència. L’esquema de modulació que implementa la capa física és QPSK pel cas del downlink , mentre que és BPSK en l’ uplink.

L’organisme 3GPP és l’encarregat d'estandarditzar els diversos aspectes de WCDMA a través de les seves especificacions. Pel cas de la capa física també és així, i com podem veure a la taula de la figura 32, les més destacades són:

Número d’especificació Nom 3GPP TS 25.201 Capa física, descripció general Canals físics i mapeig dels canals de 3GPP TS 25.211 transport sobre els canals físics (FDD)

3GPP TS 25.212 Multiplexació i codificació de canal (FDD)

3GPP TS 25.213 Eixamplament i modulació (FDD) 3GPP TS 25.214 Procediments de capa física (FDD) 3GPP TS 25.215 Mesures de capa física (FDD)

Figura 32. Especificacions del 3GPP respecte la capa física de WCDMA.

4.4.1.1. Channelization codes i scrambling codes

Una de les principals característiques del mode d’accés WCDMA és la utilització del chipping rate (Mcps). El chip és la unitat bàsica d’informació (en un sistema binari sol estar representat per -1, 1), en forma de pols, que defineix la seqüència d’un codi CDMA. Diverses seqüències de chips formen els codis emprats en la multiplexació de la informació.

La utilització d’aquest chipping rate provoca un eixamplament de l’espectre resultant; en el cas de WCDMA, la tècnica implementada és la d’eixamplament per seqüència directa mitjançant la combinació de la seqüència de chipping directament amb el senyal d’informació. En general però, el procés d’eixamplament consta de dues fases tal i com podem comprovar a l’esquema de la figura 33:

- 45 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 33. Codis de canalització i d’ scrambling.

• Channelization Codes : abans de la transmissió del senyal d’usuari, s’eixampla el seu espectre a partir d’un codi de canalització. Aquest codi compleix la propietat d’ortogonalitat respecte els altres codis utilitzats per la resta d’usuaris i s’obté a partir de l’arbre de codis Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF). Aquest arbre permet escollir en cada moment el codi pertinent en funció de l’ spreading factor (SF) que s’apliqui. Aquest factor d’eixamplament SF es pot calcular de la següent manera:

Els codis de canalització aconsegueixen, en uplink , separar els canals físics i els serveis d’un usuari determinat. En canvi per què fa al downlink , i com que disposem de sincronització a nivell de trama transmesa des del Node B entre tots els usuaris, aquests codis serveixen per separar els senyals dels diferents terminals. El problema és que existeixen un nombre limitat de codis de canalització, el que en fa imprescindible la seva reutilització a la xarxa. Per tal de poder-los discernir s’afegeix un altre nivell de codificació de forma cua a cada cel·la (antena) se li asigna un scrambling code. La figura 34 representa l’arbre de codis de canalització disponibles en WCDMA, en funció del factor d’eixamplament. Com podem veure, a mesura que el spreading factor augmenta, es va extenent el codi d’eixamplament. De la mateixa manera, valors del SF propers a l’origen (SF=1) resulten en fluxes de dades d’alta velocitat, mentre que valors de SF elevats provoquen una velocitat equivalent inferior. En el downlink es fa servir SF=8 per assolir velocitats de descàrrega de dades de 384 Kbps mentre que SF=128 per un fluxe de dades de 12.2 Kbps per a una conversació de veu. El següent arbre amb codis de canalització pertany a un s crambling code determinat:

- 46 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 34. Arbre de codis de canalització pertanyent a un SC.

Per últim, destacar que WCDMA i en el cas del downlink , s’utilitzen chipping rates tals que generen valors del SF entre el 4 i el 256 mentre que per l’ uplink oscil·len entre el 4 i el 512.

• Scrambling Codes :

Un cop els channelization codes han estat assignats als usuaris, els codis d’ scrambling serveixen per dotar d’un grau més de llibertat en l’esquema de multiplexació per codi. El procés d’ scrambilng no afecta a l’ample de banda del senyal, tot al contrari del què succeeix amb els codis de canalització, i utilitza les anomenades seqüències pseudo-aleatòries. Aquestes, multipliquen l’anterior seqüència obtinguda després de l’aplicació dels codis de canalització i poden ser de dos tipus: codis llargs ( Gold codes ) o codis curts (tipus S(2)).

La funció dels codis d’ scrambling en el downlink és la de reduir la interferència entre estacions base; típicament cada Node B té connectat tres antenes en sectorització 120˚, a cada una de les quals se li assigna un codi d’ scrambling per poder diferenciar els usuaris connectats a aquella cel·la respecte els altres connectats a d’altres cel·les.

Pel què fa a l’ uplink els codis d’ scrambling permeten diferenciar terminals.

4.4.1.2. Format de la trama ràdio

Els canals lògics es caracteritzen segons el tipus d’informació que transporten i s’agrupen en dos conjunts de canals: els de control i els de tràfic. A continuació resumim els diferents canals lògics definits en WCDMA:

- 47 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Canals lògics

Els canals lògics més importants en WCDMA són els següents:

Control channel (CCH)

• Broadcast control channel (BCCH) : aporta informació de control en mode broadcast. Sentit downlink.

• Paging control channel (PCCH): transmet la informació de paging quan la xarxa desconeix la posició del terminal mòbil o bé quan aquest es troba en sleep mode. Sentit downlink.

• Dedicated control channel (DCCH) : canal dedicat usat per l’intercanvi d’informació de control entre la xarxa i el terminal mòbil. El canal s’assigna segons el RRC connection setup. Sentit downlink i uplink.

• Common control channel (CCCH) : canal comú dedicat usat per l’intercanvi d’informació de control entre la xarxa i diversos terminals mòbils. Sentit downlink i uplink.

• ODMA dedicated control channel (ODCCH) : canal utilitzat per la transmissió d’informació de control entre la xarxa i els terminals mòbils. Sentit downlink i uplink.

• ODMA common control channel (OCCCH) : canal utilitzat per la transmissió d’informació de control entre la xarxa i els terminals mòbils. El canal s’assigna segons el RRC connection setup. Sentit downlink i uplink.

Traffic channel (TCH)

• Dedicated traffic channel (DTCH) : canal dedicat exclusivament a un terminal mòbil per la transmissió de dades d’usuari. Sentit downlink i uplink.

• ODMA dedicated traffic channel (ODTCH): canal dedicat exclusivament a un terminal mòbil per la transmissió de dades entre usuaris pertanyents a diferents dispositius.

Aquests canals es mapegen sobre la capa immediatament inferior d’enllaç de dades. Per tant són els canals de transport els encarregats d’adequar el seu flux d’informació al requerit pels canals físics, ja que es malegen sobre d’aquests. Cada canal físic té una assignació concreta en temps i freqüència i consisteix en una sèrie de trames ràdio, de 10 ms cadascuna, i de 15 time slots per trama. Cada time slot conté els bits d’informació relativa al canal de transport que viatja en aquella trama ràdio. El nombre de bits per time slot depèn del tipus de canal físic, el qual també varia en funció de la modulació emprada ( symbol rate ).

Canals de transport

Els canals de transport més importants són els següents:

- 48 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Broadcast channel (BCH): canal que transporta informació relativa a les característiques de la cel·la. Sempre utilitza un mateix flux de dades transmesos, que acostuma a ser baix.

• Forward access channel (FACH) : sol ser transmès en sentit downlink i per la totalitat de la cel·la per al control de potència.

• Paging channel (PCH) : transmet la informació de paging quan la xarxa desconeix la posició del terminal mòbil o bé quan aquest es troba en sleep mode. Sentit downlink.

• Random access channel (RACH) : canal caracteritzat per a tenir una mida limitada del camp de dades, un cert risc de col·lisió i la utilització de control de potència en bucle obert. Sentit uplink.

• Common packet channel (CPCH) : canal comú utilitzat en uplink per la transmissió de dades en mode de ràfegues (altes velocitats). Aquest canal s’associa amb un canal dedicat pel downlink , el qual ofereix el control de potència pel CPCH.

• Downlink shared channel (DSCH) : canal compartit per diversos terminals mòbils en sentit downlink.

El mapeig dels canals lògics sobre els canals de transport que es propaguen cap a la capa inferior és el que es pot observar a l’esquema de la figura 35. És important destacar que les relacions entre ells no són unívoques, el que significa que un mateix canal lògic (com per exemple el DCCH) pot ser transportat per diversos canals de transport, resultant en una gran flexibilitat.

Figura 35. Mapeig dels canals lògics sobre els canals de transport en WCDMA.

Canals físics

En uplink els canals físics s’agrupen en funció del tipus d’accés. N’hi ha dos d’accés dedicat (DPDCH i DPCCH) i dos d’accés comú (PRACH i PCPCH).

Pel què fa al downlink existeix un canal dedicat (DPCH), un de compartit (DSCH) i cinc de control comú (CPICH, CCPCH, SCH, etc.).

- 49 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

L’estructura del canal físic en WCDMA segueix la topologia de la figura 36, on podem veure la composició d’una trama ràdio. Per il·lustrar-ne el disseny utilitzarem l’exemple de les trames transmeses en sentit terminal mòbil a xarxa ( uplink ). Cada trama té una duració de 10 ms i està formada per 15 time slots.

En concret, aquest canal transporta informació de control (bits) referents a l’estimació del canal per la detecció coherent, mesures de la potència transmesa i el Transport- Format Combination Indicator (TFCI), el qual informa al receptor (Node B) sobre el valor instantani dels paràmetres dels diferents canals de transport multiplexats al DPDCH. Hi ha tants canals DPDCH com connexions de capa física existeixin. Sabent que el chipping rate és de 3.84 Mcps i que cadascun dels 15 slots té una duració de 0.667 ms obtenim que cada slot conté 2560 chips . El paràmetre k determina el nombre de bits per slot i està relacionat amb el factor d’eixamplament segons la següent fórmula: SF = 256 / 2 k

Figura 36. Format de la trama ràdio en uplink en WCDMA.

4.4.2. Capa de xarxa: Radio Resource Control (RRC)

Una part important del funcionament de WCDMA està controlada pel RRC, que és el protocol de capa tres que s’encarrega de la senyalització del pla de control entre l’UE i la UTRAN. A més, s’encarrega de controlar i configurar els protocols de les capes inferiors, en especial la capa d’enllaç i també del Packet Data Convergence Protocol (PDCP), la funció del qual és la de comprimir la capçalera IP dels paquets d’usuari transmesos des de l’extrem terminal fins el nucli de la xarxa.

Així doncs, el RRC gestiona una gran quantitat de procediments de WCDMA com per exemple:

• Cerca inicial i re-selecció de cel·la. • Establiment i alliberament de la connexió. • Control de potència de l’UE segons l’estat en el que es trobi. • Recepció dels missatges de paging .

- 50 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Reconfiguració, assignació i alliberament de les radio bearers (procés de handover ). • Control de QoS.

En GSM les funcions equivalents al RRC són desenvolupades pel protocol RR i són força similars, tot i que en WCDMA tenim algunes funcionalitats addicionals com el softhandover i, en general, una millor i més eficient utilització dels recursos ràdio disponibles.

4.5. Prestacions RBS 3116 d'Ericsson

Aquest equip ràdio pertany a la família d’RBS’s 3000 d’Ericsson, dissenyada per oferir cobertura UMTS / WCDMA.

La RBS 3116 és una estació base outdoor per a cobertura macro i està especialment indicada per la seva instal·lació en entorns amb difícil accés o poc espai, ja que pot ser desmuntada i muntada per peces. Malgrat les seves reduïdes dimensions i baix pes, la capacitat de processat de la RBS no es veu afectada. Les principals funcionalitats són les següents:

• Funcionament en la banda dels 900 i dels 2100 MHz. • Màxima compatibilitat amb tràfic basat en R99 (veu i dades) i HSDPA. • Múltiples configuracions permeses, des d’un sector amb una portadora fins a tres sectors amb dues portadores cadascun.

• Possibilitat d’ésser equipada amb diferents targetes per la transmissió del tràfic cap a la xarxa troncal amb diverses interfícies disponibles com ara E1, E3, STM-1 i Ethernet.

La distribució de la RBS consta de diversos mòduls, configurables segons les necessitats. Entre ells els més interessants d’aquest equip són els següents:

Radio Unit:

Inclou totes les funcionalitats necessàries per què fa a la conversió digital-analògica, modulació i amplificació a la freqüència de portadora en el camí transmissor. En el sentit del camí receptor té la funció de convertir el senyal des del domini analògic al discret i filtrar convenientment el senyal.

Fins a un màxim de tres radio units són possibles a la RBS 3116.

Filter Unit:

Conté el Low Noise Amplifier (LNA) i s’encarrega de la separació freqüencial de portadores. El LNA té una branca pel camí transmissor ( downlink ) i dues branques pel camí receptor ( uplink ).

En la figura 37 hi podem veure com és la RBS WCDMA 3116 d’Ericsson:

- 51 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 37. Estació base 3116 d’Ericsson.

Pel que fa a les prestacions ràdio de la RBS 3116, suporta dues freqüències de treball, segons la llicència disponible per l’operador: 900 i 2100 MHz.

En el cas de la banda dels 2100 MHz, les prestacions principals d’aquesta RBS són:

• Receptor: 2110-2170 MHz. • Transmissor: 1920-1980 MHz. • Ample de banda de portadora: 5 MHz. • Separació dúplex: 190 MHz. • Potència de sortida: 60 W com a màxim, per sector i portadora.

4.6. Transport ATM

Un cop definida la interfície aire a nivell de cel·la 3G, és a dir WCDMA, ens fixarem com es transmet aquesta informació cap a la xarxa troncal de l'operador.

Un cop els senyals dels diferents terminals arriben a l'estació base (via el Node-B), aquests s'han d'encaminar cap a la RNC per ser processats i distribuïts posteriorment a la xarxa que pertoqui (cap a la xarxa telefònica commutada, xarxes d'altres operadors mòbils, etc.). El transport d'aquesta informació, en el tram comprès des de l'estació base fins la RNC, es duu a terme a través de la tècnica Assyncronous Transfer Mode (ATM).

La tecnologia ATM és considerada una tècnica de transport d'informació d'alta velocitat basada en la commutació asíncrona de paquets i és la base de la capa de transport de WCDMA. També es caracteritza per oferir una bona qualitat de servei (QoS ) i en la majoria d'operadors, la circulació del tràfic 3G per la xarxa d'accés (Iub) es fa mitjançant ATM.

- 52 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Els avantatges més destacats que introdueix ATM com a tecnologia de transport són:

• Alt rendiment mitjançant la commutació via hardware als nodes de la xarxa ATM.

• Utilització d’una xarxa única per al transport de serveis d’usuari amb diferents necessitats per què fa a retard, ample de banda, etc.

• Escalabilitat del dimensionament de la xarxa ATM.

• Suporta per a diferents tipus de tràfic, assignant ample de banda per a la transmissió de cadascun d’ells de forma independent i dinàmica.

• Arquitectura comuna amb xarxes LAN/WAN i màxima compatibilitat a nivell d’estàndards.

El format essencial de transmissió d'informació és a partir de la cel·la ATM, de mida petita i constant (53 bytes). La naturalesa de la comunicació és commutada i orientada a connexió, amb el matís que els nodes que componen la xarxa ATM no tenen mecanismes de control d'errors ni tampoc control de flux.

En general, existeixen dos formats diferents de cel·la ATM: la cel·la tipus Network to Network Interface (NNI) i la cel·la tipus User to Network Interface (UNÍ), que és la més utilitzada. El format bàsic de la cel·la ATM que es mostra a la figura 38 fa referència al format UNÍ. Com podem comprovar, la mida de la capçalera és de cinc bytes , mentre que el cos de la cel·la n’ocupa 48:

Figura 38. Format UNI de la cel·la ATM.

Els camps més destacats que hi podem observar són:

• Genèric Flow Control (GFC): inicialment, l’estàndard ATM va reservar aquest camp per al control de flux, tot i que finalment no s’ha acabat utilitzant-lo. • Payload Type (PT): identifica el tipus de dades de la cel·la, bé siguin d’usuari o de control.

- 53 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Cell Loss Priority (CLP): indica el nivell de prioritat de la cel·la. En situacions de congestió de la xarxa, si aquest bit està actiu es podran descartar les cel·les marcades així. • Header Error Correction (HEC): conté un codi de detecció d’errors, el qual afecta només a la capçalera i no pas a les dades d’usuari.

4.6.1. Diferents tipus de tràfic

L’evolució de les xarxes de telecomunicacions i el desenvolupament de noves aplicacions han provocat que el tràfic que hi circula sigui cada vegada més divers. Avui en dia l’intercanvi d’informació no es limita a la transmissió de veu, sinó que la naturalesa d’aquesta informació s’ha diversificat. Les comunicacions interactives, la videoconferència i les descàrregues de correu són alguns dels exemples que indiquen la gran varietat de tràfics diferents existents, els quals conviuen juntament amb el clàssic senyal de veu. El més important de tot és que cadascun d’aquests tràfics té unes característiques determinades que fan que calgui tractar-lo segons uns paràmetres molt específics per a la seva transmissió.

En el cas del tràfic de veu, per exemple, sabem que el retard extrem a extrem és un factor crític. Així doncs, cal minimitzar el retard en els nodes de la xarxa ATM que tracten cel·les amb aquest tipus d’informació. En aquest sentit, ATM garanteix que es dóna un tracte preferencial respecte altres tipus de tràfic com per exemple dades que no són en temps real. Si la xarxa està congestionada es començaran a descartar cel·les de serveis amb baixa prioritat i es prioritzaran les cel·les que així ho requereixin.

Per aquest motiu, una de les característiques més importants d'ATM és que agrupa la informació en diferents fluxos lògics, els quals són agrupats en funció del tipus de tràfic al que fan referència. El transport d'aquesta informació es duu a terme a través de connexions virtuals, definides segons el Virtual Channel Indicator (VCI) i el Virtual Path Indicator (VPI) de la cel·la ATM.

Els camins virtuals VPI constitueixen la multiplexació de diferents fonts de tràfic sobre un mateix canal físic. Si imaginem diferents orígens d'informació com ara per exemple vàries estacions que volguessin transmetre sobre un mateix canal de transport en el camí cap a la RNC, podríem discernir el tràfic de cadascuna d'elles a partir d'un VPI diferent.

Si ens centrem en un VPI concret tenim, a més, un grau addicional de multiplexació. Mitjançant els VCI's, ATM és capaç de discriminar diferents connexions lògiques dins d'una font de tràfic.

Per exemple en WCDMA, un Node-B que transmet informació cap a la RNC envia no només tràfic de veu, sinó també tràfic de dades, senyalització, etc. ATM permet identificar cadascun d'aquests tràfics a partir de les parelles identificadores VPI i VCI, amb la finalitat de tractar-lo de manera diferent.

- 54 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.6.2. Capes d’adaptació AAL

Segons la naturalesa de les dades que conformen les cel·les ATM, es defineixen les capes ATM Adaptation Layers (AAL) que serveixen per harmonitzar la transmissió d’ATM des de la capa d’enllaç de (capa 2 de la torre OSI) amb els protocols de capes superiors com ara TCP/IP. Sota aquesta perspectiva ATM té cinc capes diferents d’adaptació, que van des d’AAL1 a AAL5 i que són les encarregades de donar la QoS requerida en cada cas.

AAL1: transport de serveis d’alta prioritat, on es garantitza la transmissió d’un flux constant de dades. Capa adequada per a serveis sensibles al retard, com per exemple la veu.

AAL2: indicada per circuits orientats a connexió i a un bitrate variable. Menys prioritari respecte AAL1 però es continua garantint un flux d’informació determinat.

AAL3 i AAL4: transport de serveis d’alta prioritat, no gramatitzats. Suporta bitrate variable i és recomanable per la transmissió de dades orientada i no orientada a connexió.

AAL5: sorgeix com a combinació d’AAL3 i AAL4, dissenyat especialment pensant en el tràfic TCP/IP. És recomanat per serveis de baixa prioritat on no es garantitza cap mínim.

Aquestes capes d’ATM garanteixen la qualitat de servei a la xarxa ATM mitjançant les següents classes de servei:

• Constant Bit Rate (CBR): flux de transmissió constant, definit a partir de la taxa de transmissió de cel·les de pic - Peak Cell Rate (PCR). • Variable Bit Rate (VBR): flux de dades variable, caracteritzat per una mitja de cel·les transmeses i un cert valor de pic permès durant un determinat període de temps. És utilitzat per definir serveis en temps real (rt) i també serveis en temps no-real (n-rt).

• Available Bit Rate (ABR): només es garanteix la transmissió d’un mínim de cel·les ATM segons Mínimum Cell Rate (MCR). Si la xarxa no està en congestió, el flux de dades pot augmentar.

• Unspecified Bit Rate (UBR): no hi ha cap figura que modeli aquest tràfic, només es transmet quan és possible, sent el rebuig de cel·les altament probable. És adequat per aplicacions tolerants a la pèrdua de paquets com ara connexions TCP.

4.6.3. Exemple de mapeig de tràfic ATM

A continuació presentem un exemple real del transport de tràfic WCDMA d’usuari sobre ATM.

En aquest cas concret, la xarxa ATM modela el tràfic de l’usuari segons dues categories de servei distintes, mapejades sobre AAL2 i AAL5. El canal de transmissió

- 55 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

disponible consta de 2xE1’s. L’esquema de la figura 39 ens mostra la configuració d’un Node B (cas real), implementada per un dels operadors mòbils espanyols:

Figura 39. Multiplexació de la informació sobre 2xE1 en ATM.

La capa AAL2 transporta el servei de veu i es caracteritza per la figura CBR. En canvi, sobre AAL5 es mapeja tot aquell tràfic que no és altament prioritari ni depèn de ser transmès en temps real. En el cas de WCDMA, aquí s’hi inclouen protocols de senyalització com Q2630, CNBAP, DNBAP i els senyals necessaris per l’operació i manteniment. Aquests últims són els que permeten accedir als equips (nodes B) des d’una ubicació remota a través de l’enllaç Iub.

En el diagrama de la figura X, ATM es troba encapsulat dins de PDH, concretament dins de 2xE1. Podem calcular, en total, quantes cel·les ATM caben dins de 2xE1. Com sabem, a través de les característiques de la jerarquia digital plesiòcrona, un tributari PDH està format per 31 canals de 64 Kbps, llavors:

1 E1 = 31 canals x 64 Kbps = 2048 Kbps → 2 E1 = 2 x 2048 Kbps = 4096 Kbps

Ara, calculem el nombre de cel·les ATM que podem inserir en aquests dos tributaris:

4096 = 9660 cel·les per segon

A la pràctica però, aquest valor es veu una mica reduït ja que l’estructura PDH té algun canal reservat per a senyalització, el que fa que el valor màxim de cel·les per segon a transmetre sobre 2xE1’s sigui de 8800.

Segons això veiem que tenim un sol camí virtual (BP) amb una capacitat màxima de 880 cel·les ATM, i dins d’aquest tenim diferents canals virtuals (VC) que són els serveis associats a l’usuari.

- 56 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Podem observar que aquest operador utilitza els VCI’s 36, 37 i 38 per transportar protocols de senyalització de WCDMA (a més, es troben redundats). La capa que tenen definida és AAL5, garantint un mínim de cel·les a transmetre amb aquesta informació. El mateix succeeix per als tràfics d’operació i manteniment (VCI= 32, 33).

El més interessant és el VCI 39, associat al tràfic de veu i que transporta els canals WCDMA d’usuari (DCH, PCH, RACH, FACH, etc.). Aquest canal virtual és del tipus AAL2 i està modelat per un PCR = 8300 cel·les per segon. Això garanteix que el Node B serveixi tantes converses de veu com càpiguen dins dels 2xE1’s a transmetre. El que s’està fent és maximitzar l’ús del canal de transmissió.

Tot l’ample de banda que no s’utilitzi per al servei de veu el podrà aprofitar HSDPA, el qual està mapejat en el VCI 47 i té definit UBR com a descriptor, malgrat utilitzi AAL2. Això vol dir que un terminal 3G connectat a una cel·la podrà descarregar dades en mode HSDPA quan les condicions ho permetin i no hi hagi congestió per tràfic de veu. Aquesta és la política habitual que implementen els operadors a la xarxa 3G. Un estudi més concret del perfil de tràfic de l’usuari pot fer modificar aquests valors, de manera que s’optimitzi l’ús de recursos a la xarxa.

Per últim només comentar que cada fabricant utilitza els seus propis descriptors de tràfic ATM, que és la nomenclatura que serveix per definir el tipus de servei. L’exemple de la figura X fa referència a la parametrització ATM d’un Node-B d’Ericsson, on pel VCI 39 (servei de veu) es parla del descriptor de tràfic C2P8300. Això significa que es tracta d’un canal tipus CBR, és de classe dos i té un PCR de 8300 cel·les per segon.

La implementació d’aquests descriptors es fa directament sobre el Node-B, de manera que la capa de transport ATM hi queda definida de la següent manera, com s’indica a la figura 40:

Figura 40. Descriptors de tràfic ATM per a un Node-B.

- 57 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.7. Operativa de xarxa

En aquest apartat ens centrarem en els diferents mecanismes que s’utilitzen en WCDMA com per exemple connectar-nos a la xarxa WCDMA un cop engeguem el terminal mòbil o bé gestionar la mobilitat del terminal dins de la xarxa a través del procés de handover .

4.7.1. Handover

En general, handover significa que una connexió ràdio és transferida des d’una estació base a una altra. Això succeeix quan la qualitat en l’enllaç des del UE al NodeB disminueix de manera progressiva mentre l’usuari es va movent dins l’àrea de cobertura de la cel·la. És en aquest moment quan la connexió des del UE és reassignada a una altra cel·la que presenta unes millors característiques ràdio.

En els sistemes 2G com per exemple GSM, el concepte de handover sempre està relacionat al de hardhandover ja que la transferència de la connexió ràdio a una altra cel·la sempre implica un canvi de freqüència, segons la topologia de la xarxa GSM. Això afecta a la trucada de l’usuari de manera que per un breu període de temps aquesta es talla mentre no es torna a connectar a una nova cel·la. Aquest tall és imperceptible des del punt de vista de l’usuari.

En UMTS la maniobra de hardhandover representa la reconfiguració ràdio de l’enllaç establert des de l’UE cap l’estació base (NodeB).

En el cas de UMTS i en sistemes CDMA en general totes les cel·les treballen a la mateixa freqüència. Al concepte hardhandover , tot i no desaparèixer per complet (seguim tenint handovers ), cal afegir-li altres tècniques com són el softhandover, softer-handover i el intersystem handover .

La primera d’aquestes tècniques, el softhandover , consisteix en què l’UE es troba en mode de rebre informació de forma simultània de diferents cel·les de la xarxa, les quals pertanyen a diferents estacions base (Nodes B). El terminal utilitza un receptor Rake per aconseguir processar la informació en paral·lel des de les diferents cel·les. Cada senyal és processat independentment mitjançant un Rake finger . En general doncs, el disseny del receptor Rake en l’UE es fa de manera que, quan estem en mode softhandover, s’assignen tres o més mòduls per analitzar els senyals provinents d’altres cel·les i un mòdul addicional per rastrejar nous senyals procedents d’altres cel·les.

Aquest grup d’estacions que es monitoritzen permanentment en paral·lel és anomenat l’ active set . Quan la branca del receptor que rastreja noves cel·les se’n troba una de nova, aquesta s’afegeix a l’ active set . El criteri que se segueix a l’hora d’afegir aquesta nova cel·la a l’ active set és segons les mesures en Hec/Ió i RSCP. Aquestes es duen a terme sobre el canal pilot i representen la relació entre l’energia total rebuda en aquest canal respecte la densitat espectral de potència total.

Típicament, el softhandover es dóna en zones urbanes o interurbanes, on hi ha un solapament en les àrees de cobertura de diferents cel·les. Aquesta tècnica és interessant ja que el receptor del UE, al rebre simultàniament senyals provinents de

- 58 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

diferents cel·les, combina ambdós senyals per maximitzar la fiabilitat de la comunicació en el downlink . Pel que fa a l’ uplink , la UE manté un enllaç ràdio amb totes i cadascuna de les cel·les presents a la active set , la qual es va actualitzant dinàmicament segons mesures de potència en el canal Primary Common Pilot Channel (P-CPICH). D’aquesta manera es monitoritza permanentment la potència rebuda al UE de les diferents cel·les. Els diferents fluxos d’informació enviats a totes les cel·les són rebuts a la RNC, que és l’encarregada de triar el flux amb una major qualitat. Aquesta tècnica afegeix al sistema el que s’anomena guany de softhandover.

El softer-handover consisteix, per la seva part, en un handover entre cel·les que pertanyen a un mateix NodeB.

Per últim, el intersystem handover fa referència a una sèrie d’operacions de handover que parteixen d'UMTS i transigirien cap a GSM o cap a GPRS i també a l’inrevés (cal que el UE suporti totes les tecnologies). Aquests tipus de handover són bastant complexes d’analitzar ja que hi intervenen un alt nombre de processos de connexió.

4.7.2. Procediment Random Access- Initial Cell Search

El procediment d’accés aleatori esdevé quan l’UE intenta accedir a la xarxa, ja sigui enviant una petita quantitat de dades d’usuari, com per demanar un DCH.

En aquest procés el terminal ha de ser capaç de desxifrar tres aspectes:

1. La informació de la cel·la a la qual està connectat.

2. El scramblibg code que se li assigna pel downlink .

3. Informació de sincronització continguda a la trama del canal comú de la cel·la.

El procés de cerca inicial de cel·la per la connexió de terminals 3G en WCDMA està descrit en funció de l’especificació TS25.214 del 3GPP, la qual consta bàsicament de tres etapes a partir de les quals el terminal és capaç e connectar-se finalment a la xarxa 3G.

4.8. High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA)

Aquesta tecnologia funciona sobre WCDMA i és plenament compatible amb la torre de protocols de 3G, representant una millora respecte el mode d’operació convencional de WCDMA (R99 segons les especificacions) a partir de l’optimització de la interfície radio. HSDPA està inclosa en les especificacions del 3GPP sota la nomenclatura de Release 5 (R5) i bàsicament defineix un nou canal pel downlink que millora significativament la capacitat de transferència de dades, podent-se assolir velocitats de fins a 14 Mbps. Aquest canal és el High Speed-Downlink Shared Channel (HS-DSCH). Els canvis que implica el pas a una xarxa WCDMA compatible amb HSDPA són els que es mostren a la figura 41. Són necessàries certes modificacions tant per què fa al hardware (al terminal d’usuari i al Node B) com al software (a la RNC) per un correcte funcionament, tot i que un dels avantatges és que a nivell de Core Network no cal implementar cap canvi.

- 59 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 41. Canvis en el diversos sistemes de UTRAN i UE deguts a HSDPA.

La majoria d’operadors que ofereixen servei 3G als seus clients ja tenen implementada la funcionalitat HSDPA (i també HSUPA); la principal utilitat del servei HSDPA ha estat l’accés a internet amb major ample de banda, descàrrega de correu i aplicacions de vídeo i música a major velocitat.

L’objectiu en HSDPA és proporcionar un major rendiment en el downlink a partir d’una major velocitat de pic en la transmissió de dades, menor latència i major capacitat.

Per assolir-ho es modifiquen certs aspectes. Destaquen la utilització d’una modulació d’ordre superior, el control de flux mitjançant la implementació de tècniques d’adaptació a la variabilitat del canal i l’ús de múltiples codis per usuari. Aquests canvis resulten en unes velocitats de transferència en el downlink de l’ordre dels 14 Mbps (42 Mbps en el cas de l’evolució de HSPA, anomenada HSPA+ o Evolved HSPA).

Podem resumir les millores que introdueix HSDPA respecte WCDMA R99 a través dels següents aspectes:

• Nou canal de dades HS-PDSCH : s’estableix aquest nou canal físic comú per al transport de la informació en mode d’alta velocitat des del Node B fins als terminals d’usuari connectats a la cel·la. Aquest canal, a diferència d’altres, utilitza un SF fixe de valor 16 (recordem que com menor és el factor d’eixamplament major és la capacitat en Kbps). A més, possibilita que s’utilitzin entre 1 i 15 codis per a la transmissió de dades des del Node B, la qual cosa es pot fer tant en el domini del temps (el grup de 15 codis per a cada usuari a cada time slot ) com del codi (el grup de 15 codis compartit entre els diversos terminals d’usuari). Aquesta tècnica és anomenada transmissió multicodi.

La figura 42 il·lustra aquest parell d’escenaris:

- 60 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 42. Multiplexació dels usuaris en temps i codi pel HS-PDSCH.

• Nou esquema de modulació i codificació : WCDMA basat en R99 utilitza QPSK mentre que HSDPA és capaç d’implementar 16 QAM, la qual cosa duplica el nombre bits per símbol respecte QPSK, resultant en una major capacitat del canal. Això sí, aquesta modulació és menys resistent al soroll, el que significa que només es pot utilitzar en unes bones condicions de l’entorn ràdio. Altrament, HSDPA utilitza CQPSK en la resta d’escenaris en base a les continues mesures que es realitzen sobre el canal per tal d’obtenir el millor diagrama de modulació en cada instant de temps. En la figura 43 veiem com la modulació i la codificació de canal varien de manera que en el moment en què tenim un valor alt de la relació portadora-interferència, la informació d’usuari passa a ser modulada en 16 QAM amb l’objectiu de maximitzar el throughput .

Figura 43. Fast link adaptation en HSDPA maximitza el throughput .

En resum, HSDPA representa l’estadi 3.5 per què fa a les tecnologies mòbils cel·lulars, trobant-se a mig camí entre WCDMA i LTE. Permet a l’usuari assolir velocitats de descàrrega de dades de fins a 10 Mbps en el millor dels casos (xarxa sense congestió, òptimes condicions del canal, etc.) sobre els 5 MHz d’ample de banda de l’operador. HSDPA millora el comportament global de la xarxa 3G per què fa a la commutació de paquets, l’eficiència espectral i el cost que representa pels operadors oferir una tecnologia de banda ampla sobre l’infraestructura 3G existent. Des del punt vista de l’usuari, aquest percebrà una velocitat de descàrrega més elevada i una resposta més ràpida dels serveis demandats.

- 61 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.9. Serveis i aplicacions en 3G

L’increment en l’ample de banda del que els usuaris poden disposar en els seus terminals mòbils ha possibilitat una ràpida i extensa expansió de les aplicacions i serveis disponibles en el mercat. A banda del servei de veu, el qual ja va ser universalitzat prèviament a través de les tecnologies 2G en general i de GSM de forma particular, les comunicacions de dades han pres el relleu en el nou escenari establert en el camp de les comunicacions mòbils. Les inversions dels operadors mòbils en les tecnologies WCDMA i HSPA han generat nous fluxos d’ingressos a partir de la comercialització de nous serveis, com per exemple:

• Mobile TV: difusió a través de la xarxa mòbil dels continguts relatius als canals de televisió convencionals, permetent el mobile advertising . • Internet de banda ampla: accés als continguts de la xarxa d’internet. • Video on demand: aquest servei permet la descàrrega i reproducció de vídeos directament al terminal del subscriptor en qualsevol moment. • Vídeo conferència: servei de comunicació amb vídeo entre els usuaris. • Tele-medicina: monitorització remota de pacients en situació d’aïllament geogràfic. • Location-based services: el proveïdor de serveis envia informació rellevant respecte la posició del terminal d’usuari en relació a l’estat del trànsit, la previsió meteorològica o altres situacions d’interès.

Les principals característiques d’aquests nous serveis són els que es poden veure en la figura 44. Bàsicament, el que aconsegueixen tant WCDMA com HSPA és proporcionar un marc tecnològic i un nivell d’estandardització adients per la comercialització de tota aquesta sèrie de serveis, pels quals es requereixen les següents característiques: baixa latència, és a dir petit retard extrem a extrem, altes velocitats de pic de transferència de dades i un baix cost de la xarxa per Gbyte d’informació ofert.

Figura 44. Nous serveis oferts per WCDMA. - 62 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

4.10. Implantació de WCDMA i HSPA

El primer servei comercial de WCDMA va ser llançat per l’operador NTT DoCoMo l’any 2001 al Japó. Hutchinson 3G va ser el primer operador que va comercialitzar a Europa el servei WCDMA poc després.

A dia d’avui existeixen ja més de 300 xarxes basades en WCDMA i que suporten HSPA en 127 països diferents (dades de la GSM Association de meitats del 2009). Pel que fa al nombre connexions que aquestes xarxes poden oferir, s’estima que aproximadament uns 150 milions d’usuaris disposen de connexió amb un terminal compatible HSPA. D’aquesta manera, HSPA és en aquests moments la tecnologia líder mundial en la captació de connexions de banda ampla mòbil mitjançant els diferents estàndards del 3GPP relacionats amb HSDPA, HSUPA i HSPA+. Aquestes tecnologies s’han popularitzat amb el nom de 3.5G.

4.10.1. Evolució de WCDMA: la necessitat del canvi

L’ample de banda en el terreny de les comunicacions mòbils ha generat una gran demanda els darrers anys. El que ja s’anomena com la generació Internet, ha estat acostumada a gaudir de les altes velocitats de connexió en un entorn residencial però també a l’oficina. En aquests moments, però els costums i la nova manera d’utilitzar el telèfon mòbil han provocat una nova cultura tecnològica, la qual necessita una tecnologia que lideri aquesta petita revolució. En aquest sentit, l’explosió comercial i el fenomen dels smart phones com l’iphone ha ajudat al sector a establir nous horitzons tecnològics. S’estima que a l’any 2015 més de 4 bilions de persones gaudiran ja de connexió de banda ampla, i s’espera que les tecnologies d’accés mòbil com HSPA i en especial LTE, n’acaparin fins el 85%.

A mesura que passen els anys i veient com ha anat evolucionant el mercat de la telefonia mòbil des del gran èxit inicial de GSM, podem concloure que el tràfic de veu ha representat una part important dels beneficis dels operadors. Tot i així, la situació actual de saturació del nombre d’usuaris i terminals obliga als operadors i desenvolupadors de nous serveis a adoptar una nova estratègia que aporti canvis significatius en la manera com fins ara hem utilitzat el terminal mòbil. Per tant, tots els nous serveis avançats de comunicacions disponibles en el mercat requereixen d’un marc tecnològic adient basat en un major throughput d’usuari, una menor complexitat i una escalabilitat superior respecte les xarxes 3G actuals basades en WCDMA.

L’enorme demanda actual de dades per part dels subscriptors dels operadors mòbils queda palesa en la figura 45:

- 63 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 45. Augment de la demanda mundial de dades.

En aquest sentit, les prestacions que ofereix LTE garanteixen que els operadors estan preparats en el futur per tal d’absorbir aquesta demanda en el volum de dades que la seva xarxa ha de ser capaç de suportar. A més, però, la qualitat i la usabilitat dels terminals LTE ha de ser superior i s’ha de minimitzar també la inversió dels operadors en aquesta tecnologia; tots dos aspectes queden garantits, ja que amb LTE s’ha aconseguit minimitzar la latència de les comunicacions i el nombre d’equips i d’interfícies.

D’altra banda, un dels aspectes que converteixen a LTE en la tecnologia de quarta generació escollida i representa un dels grans avantatges de LTE sobre les xarxes basades en HSPA, és la flexibilitat d’implementació i l’escalabilitat que ofereix LTE per seguir creixent en termes de capacitat.

4.10.2. Diferències WCDMA-LTE

Existeixen diversos aspectes que diferencien les tecnologies vinculades a les xarxes de tercera generació com ara WCDMA i HSPA respecte a LTE. Les necessitats del canvi tecnològic han estat argumentades en l’apartat anterior, però la manera en la que s’ha arribat al disseny de LTE ens porta a plantejar-nos quines són les diferències més significatives.

En primer lloc, l’estructura de la xarxa de LTE és força diferent en comparació amb les clàssiques topologies jerarquitzades tant de GSM com de WCDMA. El que s’ha intentat aconseguir és l’optimització del nombre d’equips i d’interfícies que prenen part en el disseny tecnològic de LTE. Finalment s’ha obstat per definir un sol equip (eNode B), el qual absorbeix part de les funcions que tradicionalment han estat dutes a terme per altres equips com ara les BSC’s o les RNC’s en el cas de 3G. Per tant, part de la intel·ligència de xarxa s’ha traslladat des del nucli central cap als extrems de la xarxa, representats per les RBS de nova generació del tipus eNode B. LTE aconsegueix - 64 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

proporcionar un entorn IP extrem a extrem, el que fa que no només les comunicacions dels usuaris es desenvolupin sota els paràmetres d’evolució del mercat mundial de les comunicacions de dades, si no que a més tots els equips operen sota aquest protocol, el qual té un cost molt baix tant pel què fa a la seva implantació com el manteniment.

Els principals avantatges de LTE presenta en contraposició amb HSPA són:

• Menor latència: el retard es redueix dels 50 ms de HSPA+ fins als 10 ms de LTE.

• LTE és capaç de funcionar tant en mode TDD com FDD. HSPA només pot operar en mode FDD.

• Major adaptabilitat al canal: LTE és capaç d’adaptar-se millor a la variabilitat del canal de comunicacions i mitigar-ne els efectes, mitjançant un TTI inferior (0.5 ms en front dels 2 ms de HSPA).

• Major flux de transferència de dades: LTE té un throughput de l’ordre de 100 Mbps en sentit downlink , mentre que HSDPA ofereix uns 14 Mbps i HSPA+ augmenta fins els 42 Mbps. La utilització de tècniques MIMO pot accentuar encara més aquestes diferències existents entre LTE i HSPA. Aquesta gran capacitat permetrà oferir serveis avançats de comunicacions i una autèntica connexió de banda ampla mòbil per als usuaris.

• Arquitectura més simple de xarxa, amb menys equips, interfícies i protocols. Això resulta en uns estàndards menys complexos a priori.

• La nova estructura de core network basada en Evolved Packet Core té com a conseqüència la compatibilitat de LTE amb la resta de tecnologies d’accés com ara GSM i WCDMA. Això ha significat un gran avantatge pels operadors mòbils a l’hora d’escollir LTE com la propera tecnologia de quarta generació.

• Major flexibilitat espectral pel què fa a la implantació dels nous sistemes LTE sobre els sistemes ja existents com GSM i WCDMA. LTE aporta també una molt alta eficiència espectral pel què fa a la utilització de l’espectre disponible per part dels usuaris. En la figura 46 queden reflectides aquestes diferències.

Figura 46. LTE té la màxima flexibilitat espectral (SE ). - 65 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

D’altra banda també existeixen alguns factors que juguen en contra de LTE per la seva implantació com a nova tecnologia de banda ampla mòbil, en contraposició amb HSPA. Malgrat siguin pocs, els resumim a continuació:

• HSPA+ ja és una tecnologia operativa i consolidada a nivell dels grans operadors mòbils mundials.

• Menor cost d’inversió: les tecnologies basades en HSPA requereixen de pocs canvis a nivell d’infraestructura sobre la xarxa WCDMA ja existent. Per contra LTE necessita desplegament de noves estacions base (eNodes B) i d’una nova intel·ligència en el nucli de xarxa.

- 66 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5. Long Term Evolution (LTE)

5.1. Aspectes generals

LTE és el següent pas endavant després de les xarxes cel·lulars 3G. És un estàndard del 3GPP que aporta moltes millores tècniques respecte els seus antecessors com ara major eficiència espectral, flexibilitat en la utilització dels recursos, major capacitat en les transmissions de dades, etc. De fet, aquest últim aspecte obre la porta a un nou ventall de possibilitats i nous serveis sobre el que es denomina la banda ampla mòbil.

En aquests moments LTE s’està mostrant com un gran competidor per HSPA, successor natural en l’evolució de WCDMA. Actualment totes dues tecnologies s’estan desenvolupant paral·lelament tot i que HSPA ha estat la que s’ha anat implantant d’una forma més massiva a nivell dels grans operadors ja que fou la primera en ser dissenyada cronològicament (release 5, release 6 per HSDPA i HSUPA i release 7 i release 8 per HSPA i HSPA+). Pel què fa a LTE, el 3GPP té desenvolupades les releases 8 i 10, les quals fan referència a LTE la primera d’elles, i a LTE Advanced la segona. Aquestes especificacions són les que defineixen la tecnologia LTE en la seva totalitat i representen la referència tecnològica en el sector de les comunicacions mòbils de quarta generació. A l’esquema de la figura 47 podem veure quina ha estat l’evolució en les diferents fases de desenvolupament d’aquesta sèrie d’estàndards:

Figura 47. LTE s’erigeix com a successor de HSPA.

En aquestes noves especificacions ( release 8 i release 10) i com ja veurem més endavant, sorgeix la necessitat d’un disseny robust a nivell de xarxa troncal que suporti el conjunt de noves funcionalitats que LTE serà capaç d’oferir. D’aquesta manera, LTE defineix una nova arquitectura anomenada System Architecture Evoultion (SAE).

Les característiques generals de LTE queden resumides en la taula de la figura 48, en el cas d’utilització de l’ample da banda màxim disponible (20 MHz) :

Categoria 1 2 3 4 5 Peak Rate DL 10 50 100 150 300 Mbps UL 5 25 50 50 75 Ample de banda d'RF 20 MHz DL QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, Modulació UL QPSK, 16QAM 16QAM, 64QAM Figura 48. Característiques generals de LTE. - 67 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.1.1. Objectius LTE

Previ al desenvolupament de LTE, el 3GPP va fixar els objectius de disseny, tots ells recollits en el document: 3GPP TR 25.913[86]. Aquests han de permetre l’evolució cap a una optimització de la xarxa de commutació de paquets i es subdivideixen principalment en set àrees d’actuació diferents:

• Capacitats del sistema

Màxima taxa de transmissió: s’estableix, per a release 9, al voltant dels 100 Mbps pel downlink i 50 Mbps per l’ uplink en condicions de màxima utilització d’ample de banda. Això equival, respectivament, a 5 bits/Hz i 2.5 bits/Hz. Quan això no és possible, la taxa de transmissió es redueix proporcionalment a l’ample de banda del què es disposi.

Retard: s’estableix un màxim de 100 ms en el pla de control per a que el terminal transicioni des de l’estat idle (no connectat a la xarxa LTE).

En el pla d’usuari els requeriments situen la transmissió d’un paquet IP fins al node extrem de la xarxa RAN en un temps no superior als 5 ms.

Usuaris: en el mode d’operació sobre 5 MHz, el mínim nombre de terminals que han de poder-se connectar no ha de ser inferior als 200. En altres escenaris en els que es disposi de major ample de banda (fins a 20 MHz), la xarxa ràdio ha de permetre la connexió de 400 terminals.

• Rendiment

Sobre el supòsit de que l’estació base opera amb una antena receptora i dues transmissores i el terminal mòbil treballa com a màxim amb una antena transmissora i dues de receptores, es defineixen les següents premisses:

Throughput: el throughput d’usuari es defineix en dues situacions diferents. La primera contempla el throughput mig d’usuari, mentre que la segona s’estableix en el cas que el 95% dels altres usuaris (terminals) tinguin millors condicions ràdio. Segons això, podem arribar als següents valors de la taula, tant per l’ uplink com pel downlink . Com es pot comprovar, el throughput d’usuari augmenta proporcionalment com major sigui l’eficiència espectral:

Figura 49. T hroughput d’usuari en funció de l’ample de banda de transmissió.

- 68 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Mobilitat: el màxim rendiment del terminal s’obtindrà en aquells casos on el patró de mobilitat sigui baix, amb velocitats compreses entre 0-15 Km/h. A mesura que s’augmenta la velocitat del terminal les prestacions ràdio es van deteriorant, però fins a 120 Km/h la qualitat de la connexió en LTE es manté en nivells acceptables. Per damunt d’aquesta velocitat i fins arribar als 350 Km/h, que és on se situa el màxim, és possible mantenir la connexió ràdio amb l’estació base.

Cobertura: s’estableix en 5 Km el radi màxim de cobertura de la cel·la, entesa com la màxima distància assolible des de l’estació base fins al terminal d’usuari. Les condicions en què això ha de ser possible han de permetre un mínim throughput , una certa eficiència espectral, els requeriments de mobilitat citats anteriorment i un escenari no limitat en interferència.

També es contemplen radis de cobertura de 30 Km, però sota unes condicions diferents pel què fa als paràmetres anteriors.

• Implantació

En aquest apartat es defineixen els requeriments que han de permetre la implantació de la xarxa LTE, ja sigui nova o bé hagi de coexistir i interoperar amb altres xarxes mòbils existents com ara UMTS o GSM.

Interoperabilitat: la interrupció màxima de l’enllaç ràdio entre el terminal i l’estació base quan es canvia entre dues tecnologies d’accés diferents (per exemple LTE → WCDMA o bé LTE →GSM) no pot superar un màxim de 300 ms pels serveis basats en temps real (veu) i 500 ms pel cas dels serveis no basats en temps real.

• Arquitectura i migració

L’arquitectura de LTE ha de complir les següents condicions:

• Estructura RAN única.

• Basada en commutació de paquets, tot i que ha de ser capaç de suportar serveis en temps real i veu.

• Proporcionar End-to-end QoS, aconseguint que la capa de transport de tràfic sigui capaç de complir amb els requeriments de qualitat que li entrega la capa ràdio. Els mecanismes per assegurar-ho han de tenir en compte la diferent naturalesa de tràfic que circula per la xarxa: pla de control, pla d’usuari, operació i manteniment, etc.

• Minimitzar el retard i el jitter del tràfic sensible a aquests fenòmens.

• Gestió de recursos ràdio

Aquest apartat intenta optimitzar el End-to-end QoS a partir d’una assignació més precisa entre els serveis i les aplicacions de LTE amb els recursos de xarxa disponibles en cada moment (freqüència, potència, etc.).

- 69 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Complexitat

No només comprèn la complexitat global de la xarxa LTE sinó també la complexitat en el disseny del terminal d’usuari. No pot haver-hi en cap cas redundància en el nombre de funcions disponibles en LTE, ja que això derivaria en un major nombre de tests a realitzar sobre aquestes funcions.

• Aspectes generals

Aquesta secció defineix les condicions generals dels serveis sobre LTE, així com el cost associat que es puguin derivar d’aquests serveis. Perquè sigui una tecnologia econòmicament rentable, cal minimitzar el cost tot i mantenint un bon rendiment de xarxa.

És també en aquesta secció on es fa especial èmfasi en la interoperabilitat dels equips que pertanyen a diferents fabricants, per tal que les interfícies dels equips d’aquests siguin compatibles entre elles en el seu mode normal de funcionament.

Addicionalment es prioritza l’ús de terminals amb un baix perfil de consum de potència.

5.2. LTE radio access: l’entorn mòbil

Fins el moment de l’aparició de LTE, en general, els sistemes cel·lulars de telefonia mòbil han fet servir un esquema de modulació basat en portadora única. Un dels problemes més comuns en el disseny tecnològic dels sistemes cel·lulars consisteix en pal·liar els efectes de les transmissions de dades en la interfície aire. Hem de tenir en compte que el canal utilitzat en les transmissions sense fils representa un medi bastant hostil en la propagació de senyals d’informació, donada la impredictibilitat del canal ràdio. Per tant, cal lluitar contra una gran varietat de fenòmens, fet que complica el disseny de la capa física. La importància de resoldre aquests aspectes és cabdal pel correcte funcionament de qualsevol sistema de comunicacions.

En LTE s’ha volgut adoptar una tècnica de modulació que tingués un bon comportament davant de tota aquesta sèrie de fenòmens, com per exemple interferències de banda estreta, distorsió causada per l’efecte multicamí, etc. Els efectes d’un canal selectiu en freqüència sobre les transmissions de senyals són devastadors, sent imprescindible l’ús d’equalitzadors o altres tècniques de modulació.

Per exemple l’efecte del multicamí provoca que el senyal que procedeix de l’estació base arribi al UE per diferents camins amb l’agreujant que cadascun d’ells ho fa en diferents intervals de temps. Això fa que en recepció s’acumulin versions desfasades del senyal original. Aquest efecte provoca que en la recepció d’un símbol estigui arribant, en el mateix instant de temps, un símbol procedent d’una transmissió anterior que ha arribat retardat provocat pel multicamí. El resultat és que la detecció errònia dels símbols. Aquest és el conegut efecte de la Intersymbol Interference (ISI), el qual empitjora a mesura que els requeriments de la nostra xarxa impliquen velocitats de transmissió més elevades (UMTS, HSPA, LTE) ja que un símbol determinat no sols es mapeja en el següent sinó que pot arribar a fer-ho varis símbols més enllà.

- 70 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

El senyal que s’obté en recepció en aquest escenari sense aplicar cap tècnica correctiva és un senyal passat per un canal selectiu en freqüència, com es mostra a la figura 50:

Senyal portador transmès Senyal receptor: fading selectiu en freqüència

Figura 50. Distorsió multicamí en l’entorn mòbil.

De fet, en qualsevol altre entorn és possible utilitzar equalització en recepció per mitigar-ne els efectes. Una altra solució per mirar d’eliminar els efectes del fàding produït pel multicamí és usar un receptor RAKE que combini de forma òptima els diferents camins que arriben al receptor, segons l’esquema de la figura 51:

L’efecte multicamí és causat per les reflexions en l’entorn mòbil. El receptor RAKE augmenta significativament l’Eb/N0

Figura 51. Aplicació del receptor Rake per mitigar l’efecte multicamí.

La complexitat en l’arquitectura de les solucions basades en equalització de canal (o equalització en recepció) per amples de banda de transmissió superiors als 5 MHz augmenta molt a mesura que incrementem encara més l’ample de banda. Davant d’un cost tan significatiu, OFDM s’erigeix com una solució molt efectiva.

- 71 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.2.1. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)

OFDM és una tècnica de multiplexació per divisió en freqüència que té la particularitat de repartir la informació d’usuari en una sèrie de portadores equiespaiades freqüencialment, les quals són ortogonals entre sí.

5.2.1.1. Característiques principals

En primer lloc cal diferenciar el que és conegut com a modulació OFDM, de les tècniques basades en transmissions de múltiples portadores en una banda determinada de freqüència. Per exemple, en la transmissió multi-portadora sobre WCDMA es poden utilitzar fins a quatre freqüències en un ample de banda de 20 MHz, mentre que OFDM pot utilitzar-ne més de cent en el mateix ample de banda.

Una altra característica d’OFDM és que cada subportadora, en el domini temporal, adopta la forma d’un pols rectangular de període igual a la longitud temporal del símbol d’aquella subportadora ( ). Això significa que en el domini de la freqüència obtenim una sinc amb els zeros de la modulació situats a múltiples de la freqüència d’equiespaiat ( f) de la modulació OFDM. La representació d’una subportadora en OFDM en el domini temporal i de la freqüència és el que segueix en la figura 52:

Figura 52. Forma temporal i espectral d’una subportadora OFDM.

En el domini temporal, un símbol OFDM equival a la suma de les diferents subportadores modulades i equiespaiades segons f. Això és el mateix que dir que en l’interval d’un símbol OFDM es transmeten tants símbols modulats com subportadores fixem.

Els símbols que alimenten a cada subportadora poden provenir, en general, de qualsevol alfabet com ara QPSK, 16QAM o 64QAM.

Per il·lustrar-ho, si tenim un flux original de dades d’1Mbps i utilitzem 100 subportadores (paràmetre de disseny), OFDM ens crea 100 fluxos paral·lels d’informació, amb una taxa de transmissió de 1 Mbps/100 = 10 Kbps. Cadascun d’aquests fluxos es mapeja sobre una subportadora i es combina utilitzant la IFFT per a la seva transmissió. En crear fluxos de dades més lents, la duració del símbol de la modulació augmenta en un factor directament proporcional al nombre de subportadores emprades, en aquest cas 100. L’elecció del nombre de subportadores,

- 72 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

així com la separació entre elles, són paràmetres clau per eliminar la interferència intersimbòlica (ISI). L’expressió que genera el senyal OFDM en el domini temporal és el que es pot observar a la figura 53:

Figura 53. Esquema d’obtenció del senyal OFDM.

A tall d’exemple, el 3GPP defineix en LTE un equiespaiat de 15 KHz entre portadores per al mode bàsic d’operació; en funció de l’ample de banda de la transmissió, doncs, tenim un nombre total de freqüències útils, que en cas de treballar en un ample de banda de 10 MHz fa que el nombre de portadores s’enfili fins a 600. El que ens permet arribar a utilitzar un nombre tan elevat de portadores en un marge tan reduït de freqüències és la propietat de baixa interferència entre elles. Això queda demostrat en la següent fórmula, on i representen dues subportadores ortogonals en l’interval que va des de m ≤ t < (m+1) :

Figura 54 . La interfer ència entre subportadores és 0 .

5.2.1.2. Prefixes Cíclics

Les característiques especials del canal ràdio fan que la transmissió dels símbols OFDM s'hagi de veure modificada per tal d'evitar la interferència entre subportadores i preservar-ne l'ortogonalitat.

Anteriorment hem comprovat que el fenomen del multicamí està directament relacionat amb el fet que el nostre canal tingui un comportament dispersiu en el domini del temps. La recepció dels símbols es produeix com s'indica en la figura 55:

- 73 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 55. Solapament de símbols en el recepto r.

El solapament en recepció de diferents símbols provinents de camins amb longitud diversa no només provoca ISI sinó també interferència entre subportadores.

Per corregir-ho i aconseguir fer OFDM insensible a la dispersivitat del canal, la transmissió de cada símbol OFDM es realitza afegint un prefix cíclic a l'inici del mateix, de durada . D'aquesta manera, la durada del símbol OFDM augmenta de a + , amb la conseqüent disminució en la taxa de símbols transmesos.

Concretament, el símbol OFDM a transmetre s'obté mitjançant la còpia i inserció, en el domini del temps, de les últimes Ncp mostres del símbol a l'inici del mateix. En la mesura en què dissenyem de manera que sigui major al retard introduït pel canal, podrem assegurar que això ja no provocarà ni ISI ni tampoc interferència entre subportadores. L'esquema de disseny és el que es mostra en el següent diagrama:

Figura 56. La inserció del prefix cíclic evita ISI.

Un dels inconvenients que presenta aquesta tècnica és que el receptor només es processa la part de potència del símbol OFDM corresponent a l'interval Tu, mentre que l'interval corresponent al prefix cíclic (Tcp) és descartat. Això té com a conseqüència una pèrdua de potència en el receptor i també una lleugera reducció de l'ample de banda útil per a la transmissió.

En general, existeix un compromís entre l'elecció de la durada màxima del prefix cíclic dins del símbol OFDM i la conseqüent pèrdua d'eficiència que aquesta genera en quant a potència i ample de banda en l'extrem del receptor.

5.2.1.3. Avantatges OFDM

Tal i com acabem de veure, OFDM basa el seu esquema en la transmissió de portadores ortogonals i equiespaiades entre elles. La interferència inter-portadora és

- 74 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

teòricament propera a zero, de manera que se’n poden transmetre un gran nombre en un ample de banda determinat i sense haver de deixar espais de guarda. Això implica que l’eficiència espectral d’aquesta tècnica sigui molt superior a les tècniques multiportadora habituals, en les quals es poden encabir menys portadores en un mateix ample de banda. La restricció en aquest cas bé donada per paràmetres com ara la interferència co-canal.

Un altre avantatge d’aquesta tècnica la podem trobar analitzant el comportament davant d’un canal que presenta esvaïments selectius en freqüència o bé un canal on se’ns presenta una interferència de banda estreta. OFDM mitiga els efectes d’aquestes anomalies ja que en el receptor, la porció de senyal que s’haurà vist afectada per les condicions del canal tan sols comprèn petites fraccions d’informació de diferents usuaris (o connexions), minimitzant-ne així l’impacte. Un bon exemple d’aquest escenari és el que es representa en la següent il·lustració de la figura 57:

Figura 57. Interferència de banda estreta sobre un senyal OFDM.

5.2.1.4. Inconvenients OFDM

Els sistemes OFDM són capaços de proporcionar una interferència nul·la entre subportadores, sempre i quan s’asseguri que en recepció es mostreja exactament a la freqüència central de portadora. Quan això ja no és possible ens trobem en un escenari on la interferència inter-portadora ja no és nul·la.

Així doncs, els principals inconvenients que presenten els sistemes OFDM, comparats amb els sistemes de transmissió de portadora única, venen donats principalment per dos factors:

• Susceptibilitat davant les derives en freqüència existents en els oscil·ladors locals en emissió i recepció.

• Valors elevats de Peak-to-Average Power Ràtio (PAPR).

Pel què fa la susceptibilitat d’OFDM davant de les variacions freqüencials, cal tenir en compte que en la recepció d’un símbol OFDM, aquest passa a través d’una etapa downconverter. La funció principal d’aquesta etapa és baixar el senyal d’RF a una freqüència en la que els sistemes digitals puguin treballar còmodament. A més, el senyal rebut també és mostrejat en el domini temporal en primera instància, per ser passat al domini de la freqüència a continuació. Aquest procés s’esdevé a partir de la

- 75 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Fast Fourier Transform (FFT), la qual s’implementa de manera eficient a través de la Discrete Fourier Transform (DFT). La DFT representa el senyal com una seqüència finita discreta de coeficients complexes i queda definida segons el període de mostreig i el nombre de mostres en un període de la FFT. El senyal obtingut en banda base conté, precisament, la informació a la freqüència central de subportadora.

Com es pot observar en l’exemple de la figura 58, les freqüències centrals de subportadora (15 KHz, 30 KHz, 45 KHz, 60 KHz, etc.) corresponen exactament amb els punts de treball de la FFT i on obtenim una amplitud zero de senyal de les altres subportadores, aconseguint així ICI nul·la.

Figura 58. Senyal OFDM demodulat sense offset freqüencial.

En canvi, si en el procés de downconversion l’oscil·lador local presenta derives o està desajustat ( offset freqüencial), provoca que les freqüències centrals de subportadora no estiguin alineades, provocant ICI en els punts de treball de la FFT, com es mostra a la figura 59. La conseqüència directa d’aquesta interferència és la pèrdua de paquets.

Figura 59. Senyal OFDM demodulat amb offset freqüencial produeix ICI. - 76 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Per corregir aquest fenomen i evitar les derives en els oscil·ladors locals, LTE transmet un senyal de sincronització tant pel transmissor com pel receptor a través de les estacions base i que és processat pels terminals d’usuari per a aquest propòsit específic.

D’altra banda, cada símbol OFDM és resultat de la combinació de diferents portadores. Per tant, en l’emissió d’un símbol determinat el transmissor d’RF ha de treballar amb un gran marge de potències a transmetre. La mesura que ens dóna la relació entre la potència instantània de pic de transmissió d’un símbol OFDM en RF i el seu valor mig és conegut com a PAPR. Valor elevats del PAPR exigeixen un gran marge dinàmic de treball per als conversors A/D i D/A. A més, redueixen l’eficiència dels amplificadors de RF, la qual se situa al voltant del 20%. En contraposició, els sistemes de portadora única utilitzen normalment modulacions com ara GMSK (en el cas de GSM) o PSK. Aquestes tècniques es basen en variacions de la freqüència o de la fase, mentre que l’envolupant del senyal, és a dir l’amplitud, es manté constant. En aquestes circumstàncies, doncs, no es requereix un alt grau de linealitat de l’amplificador de potència d’RF, el que fa que la seva eficiència sigui de l’ordre del 70%, molt superior a l’amplificador equivalent en OFDM.

5.2.1.5. OFDM com a tècnica d’accés en LTE

OFDM no es limita només a ser la modulació utilitzada en LTE sinó que a més, es fa servir com a tècnica d'accés pels usuaris connectats a la cel·la. En general podem diferenciar dos tipus de multiplexació pel què fa a les dades d'usuari en OFDM:

• Multiplexació consecutiva: tant en downlink com en uplink , l'assignació de subportadores per a cada usuari per a la transmissió de les dades es fa de forma consecutiva.

Figura 60. Multiplexació consecutiva en downlink i uplink .

• Multiplexació distribuïda: tant en downlink com en uplink , es destina un conjunt separat de subportadores en el domini de la freqüència. Intrínsecament, l'avantatge que presenta l'accés distribuït és que afegeix diversitat freqüencial en recepció.

- 77 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 61 . Multiplexació distribuïda en downlink i uplink .

En el cas en què OFDMA s’utilitzi com a tècnica d’accés en uplink (més endavant veurem que la tècnica que realment es fa servir està basada en portadora única SC- FDMA), és molt important tenir en compte que per evitar la interferència inter-portadora la transmissió de cada símbol des dels terminals d'usuari ha d'estar alineada en recepció de manera que a l'estació base se li presenti una estructura sense solapaments de símbols (com es mostra a la figura 58). Això suposa que les transmissions dels diferents usuaris han d'estar sincronitzades i només poden arribar desfasades amb un temps inferior a la durada del prefix cíclic utilitzat. Donat que el terminal pot estar movent-se en tot moment dins d'una cel·la (el temps de propagació pot anar variant), es requereix un control continu respecte el timing exacte de la transmissió de dades des de cada terminal.

A més, la diferència de distància dels diferents terminals respecte de l'estació base també provoca una diferència notòria entre les amplituds dels senyals rebuts a l'e- NodeB, resultant en interferència inter-usuari. Permanentment, doncs, es requereix un control de potència des de l'estació base per equilibrar aquestes diferències i aconseguir que cada terminal emeti un nivell suficient que faci que des del receptor es vegi una mateixa amplitud per a totes les connexions.

La multiplexació de les dades dels terminals en LTE utilitza OFDM com a tècnica d’accés a la xarxa, OFDMA pel cas del downlink i la variant SC-FDMA per l’ uplink .

Orthogonal Frequency Division Múltiple Access (OFDMA)

LTE utilitza l’esquema OFDMA pel downlink. El motiu pel qual s’ha triat aquesta modulació ha estat per la gran robustesa que presenta davant dels esvaïments provocats per l’efecte multicamí en el downlink . La selectivitat freqüencial és difícil de combatre en recepció (terminal d’usuari) sense unes altes prestacions pel què fa a equalització, complexitat hardware i cost. Això fa que per minimitzar aquests paràmetres hagi resultat essencial utilitzar una tècnica que minimitzés els efectes associats a la dispersió temporal.

En OFDM les dades d’usuari estan repartides en un nombre específic de portadores en un interval de temps predeterminat. En les especificacions del 3GPP les dades mapejades en les dimensions portadora-temps són les anomenades Physical Resource Blocks (PRB´s). La gestió de PRB´s es duu a terme a través dels eNode B’s.

- 78 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 62 . Transmissió downlink OFDMA d’un terminal LTE.

Single Carrier FDMA (SC-FDMA)

Per l'accés uplink , és a dir en el sentit terminal a estació base, LTE utilitza OFDM en mode de portadora única (SC-FDMA).

L'elecció d'aquesta tècnica es deu a que aquest esquema de transmissió presenta una relació més baixa de la potència de pic respecte la potència mitja transmesa pel terminal, comparada amb OFDMA (utilitzada al downlink ). Des del punt de vista de l'amplificador de potència del terminal, doncs, la potència mitja transmesa és superior i per tant la seva eficiència de treball també augmenta. Això té dues conseqüències directes sobre el dispositiu mòbil; la primera és que la distància mitja de l'enllaç a l'estació base pot ser més gran, el que significa que tenim major cobertura. La segona és que el disseny dels equalitzadors en l'extrem de l'estació base és força senzill, al no tenir grans oscil·lacions d'amplitud del senyal d'entrada. De totes maneres el cost associat dels recursos hardware a l'estació base no són el més important, a diferència del terminal d'usuari on cal minimitzar-ne la complexitat i el cost.

Aquest mètode d'accés permet una assignació dinàmica de recursos (interval de transmissió i freqüència) per a cada usuari. L'accés als recursos en uplink es fa de manera compartida i la propietat d’ortogonalitat queda garantida entre usuaris, el que fa que la interferència intra-cel·la sigui mínima. En l’esquema de transmissió de la figura 63, un usuari utilitza una porció de l’ample de banda total de l’ uplink (60 KHz), mentre que la resta d’usuaris transmeten en paral·lel a la part restant de l’espectre disponible.

De forma anàloga a l’exemple proposat pel downlink en OFDMA, en la següent figura es mostra com es transmetrien vuit símbols provinents d’una modulació QPSK:

- 79 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 63. Transmissió uplink SC-FDMA d’un terminal en LTE.

Malgrat tot, la implementació de SC-FDMA que s’ha dut a terme en LTE ha estat mitjançant DFT Spread –FDMA (DFTS-FDMA). La generació del senyal resultant amb aquesta tècnica, tal i com es mostra en l’esquema de la figura 64, propicia que es compleixin les tres propietats bàsiques requerides en uplink: baixa variació en la potència instantània transmesa, baixa complexitat de l’equalitzador (combinat amb alta qualitat) i possibilitat d’assignació dinàmica de l’ample de banda.

En funció de la mida del bloc M utilitzat en la DFT s’obté l’ample de banda del senyal, el qual s’ajusta de forma dinàmica.

La multiplexació dels usuaris s’aconsegueix, en cada transmissor, ajustant el senyal d’entrada (sortida de la DFT) a la IDFT. Segons això, el senyal d’interès ocuparà una posició determinada en l’espectre freqüencial.

Figura 64. Generació del senyal en el terminal amb tècnica DFTS-OFDM.

La transmissió en portadora única en DFTS-OFDM comporta un petit inconvenient respecte l’esquema multiportadora del downlink (el qual és robust davant la selectivitat freqüencial).

- 80 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

En l’ uplink la transmissió a una sola freqüència fa que estiguem exposats als efectes de la dispersivitat temporal. Això provoca que en l’extrem receptor, en aquest cas l’estació base, sigui necessari l’equalització del senyal.

5.2.2. Modes de treball FDD i TDD

Els estàndards definits pel 3GPP que fan referència a la comunicació full-duplex en LTE, coincideixen amb els existents en WCDMA. Com ja passava anteriorment, es possibiliten els modes d’operació FDD i TDD; aquest fet afegeix flexibilitat addicional al desplegament dels operadors, tot i que des del punt de vista del terminal mòbil la implementació de tots dos sistemes no és el més habitual.

En el primer cas, la multiplexació entre el downlink i l’ uplink es duu a terme en el domini de la freqüència (bandes espectrals separades).

En el cas de TDD les dues comunicacions es multiplexen temporalment, treballant a una mateixa freqüència, però en time slots no solapa.

En aquest context, els continguts d’aquest projecte en relació a LTE no es veuen gaire afectats, segons aquesta diferenciació, tot i que sovint es farà referència implícita al mode FDD per ser aquest el més utilitzat actualment, tant en GSM com WCDMA.

5.2.3. Format trama LTE downlink

L’estructura bàsica de les trames que s’envien en LTE en el sentit estació base a terminal ( downlink ) és el que podem observar en la figura 60.

Les trames ràdio tenen una duració de 10 ms cadascuna i estan formades per un total de 10 suturares, a raó de 1 ms per suturarà. Cada suturarà és la concatenació de dos slots , els quals contenen set símbols OFDM.

Si analitzem dins del període de símbol de la trama ràdio ( = 66.7 µs), trobarem que cadascun dels símbols segueix l’estructura que s’indica a la figura X (figura coloraines OFDMA). Per tant, en aquest interval de temps trobarem la informació de l’usuari multiplexada a diferents freqüències, segons el planificador downlink de l’estació base, que serà qui marqui el ritme de la transmissió en el que es refereix a l’ample de banda de treball. En qualsevol cas, se seguirà sempre l’estructura de subportadores equiespaiades cada 15 KHz i n’hi haurà tantes com les que es determinin des del e- NodeB i en funció de les condicions de l’enllaç ràdio establert des de l’estació base fins al terminal mòbil. Com és lògic, a major qualitat de l’enllaç més subportadores podrem utilitzar i per tant l’ample de banda de la transmissió també serà major. Un dels grans avantatges d’LTE respecte altres tecnologies és que l’ample de banda de treball parteix des d’un mínim d’1.25 MHz fins als 20 MHz. A més, i en funció de les condicions del canal també es pot treballar en 2.5, 5 i 10 MHz. Com ja veurem en el següent apartat del planificador downlink , podrem treballar en passos de 180 KHz. En la següent figura es representa el format de la trama ràdio:

- 81 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 65 . Format temporal de la radiotrama LTE en el downlink .

5.2.4. Adaptació de flux: planificador downlink /uplink

Una de les característiques importants que LTE introdueix és la capacitat d’assignació dinàmica de recursos en funció de les propietats del canal ràdio. Aquest aspecte és de molta utilitat en les transmissions basades en commutació de paquets, les quals requereixen optimitzar la utilització del canal; això és, l’instant exacte en el que transmetre i en la freqüència més òptima possible. Per a aquest propòsit, LTE defineix el planificador downlink i uplink. El que aconseguim amb ell és un guany en la capacitat del sistema en tots dos sentits de transmissió.

Mitjançant aquest mecanisme de control, LTE aconsegueix monitoritzar el flux de dades permanentment, a ritme del Time Transmission Interval (TTI) de LTE fixat en 1 ms. D’aquesta forma la transmissió s’adapta a les condicions del canal en cada moment i el planificador esdevé, doncs, un element clau en el rendiment pel downlink.

En certa manera, aquest no és un aspecte del tot nou en LTE. HSPA ja utilitza la funcionalitat de transmissió cap a un usuari només quan les condicions del canal són profitoses per maximitzar la taxa de transmissió de dades. No obstant, aquest control es duu a terme només en el domini temporal, mentre que LTE també el duu a terme en el domini freqüencial mitjançant OFDMA.

Les decisions que pren el planificador són com a màxim a ritme d’1ms, mentre que freqüencialment tenen una granularitat de 180 KHz. Típicament, aquest disseny permet fer front a les variacions del canal ràdio amb garanties.

En la següent figura podem veure com la informació dels diversos usuaris, codificada en diferents colors, és enviada pel downlink segons la següent graella de la figura 66:

- 82 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Fig. 66 . Les condicions del canal defineixen la transmissió al downlink.

Perquè sigui un procés òptim, LTE treballa de manera que cada usuari envia cap a l’estació base una estimació instantània de la qualitat del canal mitjançant l’anàlisi d’un senyal de referència enviat per l’estació base per a tal propòsit. En funció dels resultats d’aquesta estimació, l’estació base assigna uns o altres recursos per a la transmissió. En la figura 67 podem veure com és l’assignació d’un PRB, la unitat bàsica transmesa en LTE en el domini del temps-freqüència:

Figura 67 . La unitat bàsica d’assignació de recursos ràdio és el P RB.

5.2.5. Configuració amb múltiples antenes

Les especificacions de LTE admeten la possibilitat que el sistema treballi amb més d'una antena, tant en l'extrem del terminal d'usuari com en l'estació base.

De fet aquest és un dels aspectes, combinat amb l'ús d'OFDM, que contribueix a les altes taxes de transferència i a l'elevada eficiència de LTE pel què fa a l'ús de recursos.

En general, i en LTE no és una excepció, les tècniques que es fonamenten en la utilització de múltiples antenes basen la seva configuració (distància entre les diferents

- 83 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

antenes) en funció del propòsit per al qual han estat dissenyades. Podem, doncs, fer- ne una classificació en funció de la seva finalitat:

- Diversitat en recepció: l'ús de múltiples antenes en recepció és especialment útil en la lluita contra el fàding i les interferències. Malgrat que aquesta tècnica no permet augmentar la capacitat del sistema, ja ha estat llargament utilitzada en els últims anys en el disseny de xarxes mòbils cel·lulars de tercera generació. La figura 68 mostra la configuració Single Input Múltiple Output (SIMÓ) d’aquesta tècnica:

Figura 68. Disseny SIMO amb múltiples antenes a l’extrem terminal.

- Diversitat en transmissió: l'ús de múltiples antenes en transmissió a l'estació base possibilita el disseny de diferents diagrames de radiació amb l'objectiu de millorar el Signal to Noise Ràtio (SNR), la capacitat del sistema i la cobertura de l'estació base. La figura 65 mostra la configuració Múltiple Input Single Output (MISO) d’aquesta tècnica:

Figura 69. Disseny MISO amb múltiples antenes a l’estació base.

- Multiplexació espacial: l'ús de múltiples antenes en transmissió i recepció és conegut com a Múltiple Input Múltiple Output (MIMO) i ofereix una millora en el flux de dades transmès. La figura 70 mostra la configuració Múltiple Input Single Output (MISO) d’aquesta tècnica:

Figura 70. Disseny MIMO amb múltiples antenes en transmissió i recepció. - 84 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Pel cas de LTE, cadascuna d'aquestes tècniques té una aplicació concreta.

Per exemple en un escenari on trobem molts usuaris connectats a la cel·la, la SNR serà baixa, i per tant la utilització de diferents antenes a l'estació base farà augmentar la relació senyal soroll des del punt de vista del terminal d'usuari. Com ja sabem, segons la fórmula de Shannon, la capacitat que el canal pot oferir és directament proporcional a la relació senyal soroll del mateix canal:

S  C= BW *log 1 +  2 N 

Per contra, en un escenari amb una alta relació senyal soroll (per exemple en cel·les petites), l'ús de diversitat en transmissió no té massa sentit ja que el guany afegit al sistema serà relativament petit. Això es demostra en el fet que en la fórmula de Shannon, per valors baixos de S/N la capacitat del sistema és directament proporcionals a aquests valors i per tant també augmenta en la mateixa proporció en la que ho faci la S/N. En canvi, per valors elevats de la S/N la capacitat equivalent del sistema només augmentarà logarítmicament al ritme en què ho faci la S/N. En aquests casos, doncs, resulta molt més òptim implementar la tècnica MIMO. Fent ús de vàries antenes en transmissió i recepció aconseguirem aprofitar al màxim les bones condicions del canal ràdio, augmentant significativament la taxa de transmissió des del punt de vista del transmissor.

MIMO, doncs, no només permet millorar la SNR i afegir diversitat per a lluitar contra els esvaïments sinó que se n’aprofita per incrementar les taxes de transmissió a través de fluxos de dades independents. La configuració amb múltiples antenes proporciona diferents camins de transmissió del senyal, establint-se diversos canals de dades de forma simultània (en paral·lel). Suposem que tinguem una combinació de NT antenes transmissores i NR antenes receptores, el que farà que tinguem NL camins possibles i = { } on NLmin N T , N R . Sota aquestes condicions, la relació S/N es veurà repartida entre els NL camins possibles i la fórmula de la capacitat de Shannon quedarà representada de la següent manera:

N S  C= BW*min{ N , N } *log1 + R *  T R 2 { }  minNT , N R N 

Com podem observar la capacitat del sistema creix linealment amb el nombre d’antenes utilitzades, superant la situació de saturació de capacitat provocat per altes relacions del S/N.

En la figura 71 podem observar una configuració corresponent a MIMO 4x4 i com les quatre antenes estableixen diferents plans bi-dimensionals en el domini de la freqüència i del temps, multiplicant el nombre de recursos disponibles per a la transmissió de dades. Cadascun d’aquests plans representa un camí per la propagació del senyal entre l’estació base i el terminal mòbil, amb unes característiques pròpies del canal ràdio que el sistema gestionarà independentment mitjançant el planificador downlink i uplink.

- 85 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 71. La tècnica MIMO augmenta el nombre de plans en el domini temps-freqüència.

El millor del cas és que en LTE l'estació base és qui té el control respecte que tècnica utilitzar en funció de les condicions del canal.

Un disseny intel·ligent pel què fa a la configuració de les antenes, tant en l'extrem emissor com en el receptor farà que LTE experimenti les següents millores:

• Admissió d'un major nombre d'usuaris per cel·la. • Augment de la cobertura de l'estació base. • Maximització de la velocitat de descàrrega per usuari.

5.2.5.1. Separació entre antenes

Un dels paràmetres de disseny més importants és la distància entre antenes en el receptor. En funció de si parlem del terminal mòbil o de l'estació base, per motius evidents d'espai, hi ha una clara diferenciació.

Per exemple, una separació entre dues antenes de l'ordre de 10*Lambda farà que la correlació mútua sigui força baixa en l'estació base. Quan en una de les antenes el senyal pateixi fàding , la probabilitat de que en l'altra experimenti també fàding en el mateix instant de temps serà molt baixa. En canvi al terminal mòbil una separació de 0.5*Lambda ja serà suficient per assolir una baixa correlació mútua. Aquesta gran diferència s'explica en el fet que els senyals multicamí que arriben al terminal mòbil i a l'estació base tenen característiques diferents pel què fa a l'angle d'arribada. Típicament a l'extrem del terminal mòbil hi arribaran difunts senyals desfasats en el domini del temps, provocats per rebots que es produeixen al voltant del mòbil. Això fa que des del punt de vista de l'antena, aquests senyals tinguin un ampli marge d'angles d'entrada i per tant una petita separació de les antenes sigui suficient. L'efecte contrari es produeix a l'estació base, on les antenes veuran senyals d'entrada provinents d'un petit marge d'angles d'arribada, provocats pels rebots en camp proper en l' uplink .

Evidentment, aquesta casuística pren com a referència una mateixa direcció de polarització per totes les antenes ja que si poguéssim utilitzar polaritzacions contraposades, les grans separacions entre antenes ja no serien necessàries.

- 86 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.2.6. Flexibilitat espectral

Una de les principals característiques de LTE que fa que sigui una tecnologia d’accés ràdio molt interessant es troba en la flexibilitat que ofereix pel què fa a l’ample de banda necessari per les comunicacions amb els seus usuaris. Les diverses possibilitats de desplegament dels nous serveis de veu i dades sobre LTE en diferents bandes de freqüència i amb diferents característiques cadascuna fan que aquesta tecnologia sigui molt avantatjosa en la nova implementació dels operadors.

En primer lloc els sistemes LTE són implementa-les tant en FDD com en TDD en funció de les necessitats de l’operador. El mode TDD exigirà un ample de banda total inferior al requerit per FDD ja que els canals downlink i uplink es troben multiplexats en el domini del temps. En canvi el mètode de multiplexació FDD fa que la seva implementació necessiti dues bandes espectrals separades de funcionament. La capacitat de LTE per treballar indistintament amb els dos mètodes d’accés ràdio és una novetat dins el món de les tecnologies mòbils cel·lulars.

En segon lloc és important destacar que la implantació de LTE pot fer-se en diferents bandes de freqüència, des dels 450 MHz fins als 2.6 Hz. Les característiques pròpies de la utilització de l’espectre de cada apis fan que sigui necessari poder dissenyar el sistema en qualsevol banda d’aquest marge de freqüències. Típicament, però, l’operador farà el desplegament sobre noves bandes adquirides a través de l’ens gestor de l’espectre radioelèctric o bé alliberarà bandes existents que estan sent utilitzades per altres serveis com ara GSM.

Per últim, i relacionat amb la flexibilitat d’implantació a diferents bandes, és important destacar que LTE és configurable pel què fa a l‘ample de banda que ocupa tant en sentit downlink com en uplink . Es pot configurar un ample de banda determinat per la transmissió i la recepció en zones de l’espectre diferents i satisfent els criteris de disponibilitat que tingui l’operador mòbil. De fet LTE permet la transmissió en amples de banda que van des de 1 MHz fins als 20 MHz en passos de 180 KHz, el que fa que la granularitat en els possibles augments de l’ample de banda sigui molt elevada.

5.3. Arquitectura de xarxa

L’arquitectura de xarxa de LTE pel què fa al model de connexió entre els diferents equips que han d’assegurar les comunicacions sobre aquesta nova tecnologia presenta diferències importants respecte al model implementat en WCDMA i GSM.

L’arquitectura de WCDMA la podem dividir, a grans trets, en dues grans àrees: la part que correspon a la xarxa d’accés ràdio (RAN) i la que correspon al nucli de xarxa (CN). Les especificacions del 3GPP pel que fa referència a les funcions tant de RAN com de la CN determinen, per exemple, que entre el Node B i la RNC siguin capaços de gestionar la mobilitat d’un terminal, modular els senyals de les estacions base o duar a terme les maniobres de handover per assegurar la mobilitat dels usuaris dins la xarxa. En canvi, altres funcions com el roaming , la interconnexió amb altres xarxes com la telefònica commutada o la tarificació han estat assignades a la CN.

- 87 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.3.1. System Architecture Evolution (SAE)

La divisió de les funcions entre RAN i CN de WCDMA també es produeix en LTE. De fet, totes les funcions de les que hem parlat amb anterioritat respecte WCDMA, també es reparteixen de la mateixa manera en LTE. El que sí que ha canviat ha estat el disseny del Core Network , el qual s’anomena System Architecture Evolution en LTE. En l’esquema de la figura 72 podem veure la divisió entre les diferents parts de LTE i com el nucli de la xarxa (SAE) està basat en l’ Evolved Packet Core (EPC):

Figura 72. Topologia de la xarxa LTE End-to-End .

El nou disseny SAE simplifica l’anterior disseny de WCDMA i es diferencia en els següents aspectes:

• Estableix connectivitat IP amb tots els nodes de la xarxa.

• Propociona throughputs superiors i menor latència a la xarxa d’accés.

• Capacitat de gestionar múltiples tecnologies RAN simultàniament com per exemple GSM, WCDMA o LTE. També pot gestionar tecnologies no pròpies del 3GPP com ara Wimax.

El component més important de SAE és l’ Evolved Packet Core (EPC), el qual es divideix en els següents sistemes, tots ells presents en la figura 69:

• Mobility Management Entity (MME) : és l’element clau com a responsable de la major part de les funcions assignades al nucli de la xarxa de LTE. Es responsabilitza dels procediments de paging i monitorització de terminals dins la xarxa, autenticació dels usuaris, activacions de portadora i intra-LTE handover . També s’encarrega, pel què fa al pla de control, de la gestió de la mobilitat dels terminals cap a altres xarxes RAN com GSM i WCDMA.

• Serving Gateway (SGW) : aquest element s’encarrega d’enrutar els paquets de dades de l’usuari, activar el paging quan hi ha dades en el downlink disponibles, gestionar els handovers inter-cel·la i emmagatzema dades de la capa IP.

- 88 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• PDN Gateway (PGW) : aquest element representa el node per on s’extreu i s’incerta tràfic des de i cap a altres xarxes de dades com la XTC, Internet o altres operadors mòbils. Un eNode B pot tenir connectivitat amb més d’un PGW de forma simultània i aquest executa funcions com ara la monitorització i filtratge de paquets i gestió de la mobilitat entre LTE i d’altres xarxes que no són del 3GPP com ara Wimax.

Figura 73. Topologia del Evolved Packet Core de LTE.

5.3.2. Xarxa d’accés LTE

La filosofia que ha seguit el disseny de l’arquitectura de LTE ha estat, en primer lloc, el de reduir el nombre de nodes a la xarxa. No només s’ha minimitzat els nodes sinó que a més s’ha fet de forma que només existeixi un tipus de node: l’eNode B. Recordem que, per exemple, en el cas de GSM tenim la BTS, la BSC, la MSC, etc. En segon lloc, s’ha intentat separar al màxim la xarxa d’accés ràdio del nucli de xarxa de forma que des del punt de vista d’aquest últim, poguí funcionar independentment de la tecnologia d’accés que treballi a la part RAN. Això permetrà que el nucli de la xarxa sigui en un futur capaç de treballar amb qualsevol de les tecnologies d’accés ràdio (GSM, WCDMA i LTE).

La primera gran diferència segons podem comprovar a la figura 74 és la connexió dels eNodes B a través d'una única interfície fins el nucli de la xarxa (S1), el qual equival al Iub de WCDMA. A més, els eNodes B són més complexos que els Nodes B de WCDMA ja que han de ser capaços de gestionar un major nombre de funcions, heretades del que fins ara feia la RNC en WCDMA. Per exemple, l’eNode B gestiona la capa de recursos ràdio, assegura les maniobres de handover i actua de planificador downlink i uplink. A més, es responsabilitza de les clàssiques funcions de codificació, modulació, interleaving i de dues funcions addicionals de retransmissió. La sincronització del node s’obté a través d’un rellotge extern, com ja passa en GSM i WCDMA, mitjançant sincronització GPS.

- 89 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Una altra diferència de l’estructura de LTE és la utilització que es fa de la interfície X2 per tal de connectar els diversos eNodes B. A la pràctica, però, aquesta connectivitat només existeix entre les estacions que tenen relacions de veïnatge entre elles, ja que la interfície X2 s’utilitza per assegurar la mobilitat dels terminals dins la xarxa i executar handovers.

Figura 74. Topologia de la xarxa d’accés LTE.

5.3.3. Arquitectura de protocols

L’arquitectura de protocols de la xarxa LTE és força similar a la de WCDMA en el sentit que comparteix gran part de la filosofia amb què WCDMA va ser dissenyada. L’estructura de capes de protocols que es troben per damunt del nivell físic equival a la de WCDMA tot i que existeixen certes diferències. Els protocols utilitzats han estat dividits en la clàssica estructura de capes: capa física (nivell 1), capa d’enllaç (nivell 2) i capa de xarxa (nivell 3). Les dades a transmetre des del eNode B arriben en forma de paquets IP, els quals han de ser entregats al terminal mòbil d’interès a través de la interfície aire. Abans de poder-ho fer aquests paquets IP passen per una sèrie de protocols que resumim a continuació i que es troben en l’esquema de la figura 75, on observem les relacions entre els protocols de la capa física, d’enllaç i de xarxa de LTE per al canal downlink .

• Packet Data Convergence Protocol (PDCP)

Aquest protocol de nivell 3 s’encarrega de la compressió de la capçalera IP per optimitzar el nombre de bits totals a transmetre en la interfície aire i del chippering del senyal. L’algoritme de compressió utilitzat és el mateix que es fa servir en WCDMA (ROHC[64]). Existeix només una entitat PDCP configurada per cada connexió en l’extrem del terminal d’usuari.

• Radio Link Control (RLC)

Aquest també és un protocol de nivell 3 amb funcions de segmentació i concatenació de les dades del protocol de jerarquia superior (PDCP en aquest

- 90 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

cas) i control de la retransmissió. A diferència del que succeeix en WCDMA, el protocol RLC està gestionat directament des de l’eNode B. Existeix només una entitat RLC configurada per cada connexió en l’extrem del terminal d’usuari.

• Medium Access Control (MAC)

Gestiona la planificació downlink i uplink dels recursos ràdio. La capa MAC ofereix serveis de dades a la capa d’ordre superior (RLC) a partir dels canals lògics de LTE. MAC també proporciona el control d’errors mitjançant el protocol Hybrid Automàtic Repeat Request (ARQ). Aquest protocol és una combinació d’una codificació tipus Forward Error Coding (FEC) i la tècnica de detecció d’errors ARQ, la qual consisteix en afegir bits de redundància a les dades a transmetre del tipus Cyclic Redundancy Check (CRC). ARQ és més eficient que no pas ARQ en condicions d'un baix nivell de senyal.

• Physical Layer (PHY)

La seva funció principal és la de codificar, modular i mapejar el senyal que ha de ser entregat a l’antena o antenes. La capa física ofereix serveis de dades a la capa d’ordre superior (MAC) mitjançant els canals de aeroport de LTE.

Figura 75. Arquitectura de protocols de LTE per al downlink .

- 91 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.3.4. Arquitectura de canals

L’estructura de canals de LTE és força similar a la de la seva tecnologia predecessora WCDMA, tot i que s’ha intentat simplificar les funcions que deuen a terme a partir d’un nombre total de canals inferior. En qualsevol cas, podem dividir els canals de la següent forma:

• Canals lògics

Un canal lògic està definit segons el tipus d’informació que conté i es pot fer una distinció entre el què són els canals lògics de control (associats a informació de control i configuració) i els canals lògics de tràfic (associats a les dades dels usuaris). A continuació resumim les funcions i els tipus de canals lògics que es troben en les especificacions del 3GPP respecte LTE:

Broadcast Control Channel (BCCH) : utilitzat per la transmissió d’informació de control des de l’eNode B fins a tots els terminals connectats a una cel·la en particular. Abans de poder accedir a la xarxa LTE, tot terminal ha de llegir la informació continguda en aquest canal downlink per conèixer la configuració de la xarxa (ample de banda, potència de transmissió, etc.).

Paging Control Channel (PCCH) : utilitzat pel mecanisme de paging el qual permet a la xarxa localitzar la posició d’un terminal i poder, per exemple, enrutar una trucada cap a ell. Aquest canal es transmet en format multicast a través del downlink i a una sèrie de cel·les ja que inicialment la xarxa desconeix la ubicació exacta del mòbil.

Dedicated Control Channel (DCCH) : utilitzat per la transmissió d’informació de control, tant en sentit downlink com uplink . Aquest canal intervé en el procés de configuració del terminal mòbil així com en la transmissió de missatges de handover.

Multicast Control Channel (MCCH) : utilitzat per la transmissió d’informació de control necessària per al canal multicast de tràfic MTCH.

Dedicated Traffic Channel (DTCH) : utilitzat per la transmissió de dades tant en sentit downlink com uplink , és l’únic canal lògic de LTE que té exclusivament la funció de transportar dades d’usuari des del terminal fins al eNode B.

Multicast Traffic Channel (MTCH) : utilitzat només per la transmissió de dades en sentit downlink del servei Multimèdia Broadcast and Multicast Services (MBMS). Aquest servei proporciona un enllaç de dades a un grup determinat d’usuaris amb l’objectiu d’oferir Mobile TV als terminals.

• Canals de transport

La capa d’enllaç de dades utilitza els canals de transport, els quals defineixen com i amb quines característiques es transmet la informació en la interfície ràdio. Les dades d’un canal de transport s’agrupen en forma de transport blocks; en un interval de transmissió Time Transmission Interval (TTI) s’envia almenys un transport block per la interfície ràdio. En cas d’utilitzar la tècnica MIMO, fins a un

- 92 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

màxim de dos transport blocks són enviats. Cada transport block té unes característiques determinades pel què fa a la modulació aplicada a les dades i la mida del bloc (el que s’anomena format del bloc de transport). Si aquestes característiques dels blocs transmesos varien pel què fa a la modulació, obtenim la capacitat de LTE per transmetre diferents velocitats de flux de dades.

Segons això, l’estructura de canals de transport queda de la següent manera:

Broadcast Channel (BCH) : aquest canal sempre té un format fixe del bloc de transport. Transporta la informació del canal lògic BCCH.

Paging Channel (PCH) : sobre aquest canal es mapeja la informació del canal lògic PCCH, utilitzat per la monitorització de la posició del terminal mòbil dins la xarxa. Aquest canal és compatible amb la recepció discontínua de dades en l’extrem terminal, per permetre’n l’estalvi de bateria i només obtenir les dades del PCH en instants concrets de temps.

Downlink Shared Channel (DL-SCH) : aquest és el canal de transport utilitzat per la transmissió de les dades en el downlink en LTE. És compatible amb l’adaptació dinàmica de la velocitat de flux de dades, amb les decisions del planificador downlink , amb la tècnica ARQ de correcció d’errors i també amb MIMO. De la mateixa manera que pel PCH, suporta la recepció discontínua de dades per minimitzar el consum de potència del terminal. L’interval de transmissió en aquest canal és de 1 ms, com hem vist en el format de la trama LTE.

Multicast Channel (MCH) : aquest canal transporta el servei MBMS per la difusió en format multicast de Mobile TV. El format del bloc de transport, i la manera com les dades d’aquest canal passen pel planificador és del tipus semi estàtic, permetent algunes variacions en el format de transport (modulació, mida del bloc, etc.).

Uplink Shared Channel (UL-SCH) : aquest és el canal de transport utilitzat per la transmissió de dades des dels terminals mòbils cap a la xarxa. Funcions similars a les del DL-SCH.

La forma com els canals lògics es mapegen sobre els canals de transport segueix el diagrama de la figura 76:

Figura 76. Mapeig dels canals lògics sobre els canals de transport en LTE.

- 93 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Canals físics

La capa física de LTE utilitza els canals físics per al transport de la informació entre un eNode B i el terminal mòbil, tant en sentit uplink com downlink. Alguns d’aquests canals contenen dades multiplexades de diversos usuaris; en aquest cas, parlem de canals compartits. A més, també es transmeten amb característiques diferents segons els condicionants de la capa física. Per exemple, OFDM acomoda de forma automàtica amples de banda que van des de 1.25 MHz fins als 20 MHz. El multiplexat de les dades d’usuaris diversos és mitjançant un spreading en un subconjunt de 12 portadores, equiespaiades 15 KHz i per a cada time slot a transmetre.

Les especificacions del 3GPP defineixen el següent llistat de canals físics en LTE:

Physical Broadcast Channel (PBCH) : el propòsit d’aquest canal és el de transmetre informació del sistema cap als terminals per permetre la connexió d’aquests a la xarxa LTE.

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : aquest canal de control conté 32 bits els quals s’utilitzen per informar el terminal mòbil sobre el nombre de símbols OFDM destinats al PDCCH en una subtrama LTE.

Physical Downlink Control Channel (PDCCH) : el principal propòsit d’aquest canal és el de transportar informació de control relativa al planificador.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) : aquest canal està destinat a aportar informació de l’estat del protocol ARQ per la detecció d’errors.

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : la funcionalitat d’aquest canal està relacionada amb la transmissió de dades per a un terminal concret en format unicast , així com el paging.

Physical Multicast Channel (PMCH) : el PMCH es responsabilitza de transportar informació exclusivament per al servei MBMS en format multicast.

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : aquest canal resulta de vital importància per als terminals mòbils, al contenir informació necessària per la descodificació del canal PDSCH.

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) : aquest canal s’utilitza per l’enviament d’informació relacionada amb el protocol de detecció i correcció d’errors ARQ.

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : té les mateixes funcions que el canal PDSCH, però en sentit uplink.

Physical Random Access Channel (PRACH) : aquest canal es defineix en sentit uplink i s’encarrega de funcions relatives a l’accés aleatori.

El mapeig dels canals de transport sobre els canals físics que acabem de descriure i que es troben en les especificacions del 3GPP són els que es resumeixen en l’esquema de la figura 77, tant pel downlink com per l’ uplink :

- 94 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 77. Mapeig sobre els canals de la capa física en LTE.

5.4. Accés a la xarxa LTE

L’objectiu d’aquest apartat és conèixer com és el procés d’accés a la xarxa LTE des del terminal d’usuari abans de poder iniciar una trucada de veu o, en general, de poder efectuar una transmissió de dades.

Abans d’establir la connexió és necessari conèixer com serà el “diàleg” de transmissió entre la UE i l’estació base. Per tant és indispensable que en el procés de busca de cel·la la UE trobi tots els paràmetres importants sobre l’estat de la xarxa, continguts en el senyal primari de sincronització del canal de broadcast .

Primer, però, és indispensable conèixer la definició que fa LTE sobre els estats en què es troba el terminal i els quals podem resumir en el següent diagrama de la figura 78:

- 95 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 78. Estats possibles del terminal LTE.

Quan el terminal LTE s’encén, de forma automàtica s’allotja en l’estat LTE_DETACHED, en el qual no hi ha transmissió de dades d’usuari possible (això queda reservat a l’estat LTE_ACTIVE). Per això és necessari que es produeixi la sincronització entre la UE i la xarxa per tal de registrar aquest primer. Les maniobres d’identificació, doncs, es duen a terme en l’estat LTE_DETACHED, mitjançant el procés de random access que veurem més endavant. Un cop aquest procés de registre ha estat completat, el terminal evoluciona cap a un dels dos altres estats possibles: LTE_ACTIVE o bé LTE_IDLE.

En l’estat LTE_IDLE el terminal es caracteritza per estar en mode de baix consum. Aquest fet garanteix el màxim estalvi de bateria possible del terminal quan hi ha una activitat baixa. En aquest estat la sincronització en uplink no es duu a terme de forma sistemàtica, a no ser que hi hagi un intent de transició cap a l’estat LTE_ACTIVE (per exemple per iniciar una trucada); en aquest cas s’iniciaria de nou el procés de random access. Pel què fa al downlink , aquest es manté actiu de forma periòdica per a mantenir el paging i permetre que la posició del terminal dins la xarxa sigui parcialment coneguda.

El paging és un procés que forma part de la gestió de la mobilitat que en general implementen les xarxes cel·lulars de telefonia. A través d’ell, la xarxa coneix la posició d’un terminal en un instant concret de temps. Identificar-ne la localització és imprescindible en el cas que la xarxa hagi d’enrutar una trucada entrant cap al terminal o, en general, enviar-li dades d’altres serveis (SMS per exemple).També resulta útil quan el terminal parteix d’una situació de baixa activitat i vol passar a un perfil més actiu: és en aquest moment quan necessita saber on es troba per l’establiment de la comunicació uplink amb una determinada cel·la.

Un cop vistos els estats del terminal en LTE, aquest ha de fer un accés a la xarxa amb el finalitzat de connectar-s’hi. Per assolir-ho, el terminal ha de conèixer una sèrie de paràmetres que obtindrà establint una connexió a la xarxa LTE mitjançant la cerca de la cel·la LTE més propera; per ser més precisos, aquesta no ha de ser necessàriament la més propera sinó aquella de la que en rep una potència més elevada i que li ofereix unes millors condicions ràdio. La primera cosa que fa és sincronitzar-se a nivell de ràdiotrama al canal de broadcast del downlink per aquella cel·la en concret (la que potencialment li oferirà servei).

En les radiotrames que l’e-Node B emet pel canal de broadcast en downlink , s’afegeixen senyals de sincronització (primaris i secundaris). Aquests senyals són

- 96 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

seqüències estandarditzades a partir de les quals el UE podrà conèixer informació relativa a la identificació de cel·la, estat i tots els paràmetres de configuració necessaris per establir la connexió. Totes aquestes dades són indispensables en un sistema cel·lular digital de comunicacions.

Com hem vist anteriorment, la radiotrama LTE té 10 ms de duració i consisteix en 10 subtrames d’1 ms cadascuna. Dins de cada subtrama hi trobem mapejats els símbols OFDM. Aquest format ha estat dissenyat en aquest mode per proporcionar baixa latència en la propagació del senyal com a conseqüència de la tasca de planificació uplink i downlink que ha de dur a terme l’eNode B.

La seqüència de sincronització queda inserida en els dos últims símbols OFDM del primer slot de les subtrames 0 i 5, de forma que s’emet dues vegades per radiotrama. Cada seqüència és enviada en el marc d’una identitat de grup de cel·la (un sector), havent-hi una correspondència unívoca. Això implica un one-to-one mapping entre tres identitats de cel·la i tres seqüències ortogonals. Això significa que en una estació base amb 3 sectors es transmeten tres seqüències de sincronització diferents i ortogonals entre elles, una per a cada cel·la. En la figura 79, podem observar la ubicació dels senyals de sincronització dins de la trama LTE:

Fig 79. Ubicació dels senyals de sincronització en la ràdiotrama LTE.

LTE possibilita un màxim de 170 grups d’identitats de cel·la, amb 3 identitats per grup (cada grup s’associa a una estació base estàndard amb tres sectors per e-Node B), el qual permet un total de 510 identitats de cel·la a la xarxa.

- 97 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.4.1. Random Access i Connection Setup

Els sistemes de telefonia es caracteritzen de manera que en qualsevol instant de temps es pot produir un intent d’accés a la xarxa a través del que s’anomena connection setup o random access , el qual consta de dues fases.

La primera d’elles és la sincronització en uplink mentre que la segona és l’establiment de la identitat única de terminal Cell - Radio Network Temporary Identifier (C-RNTI) de LTE.

La necessitat d’executar un random access apareix en el moment en què s’ha perdut la sincronització en uplink o bé hi ha hagut un llarg període d’inactivitat. Això té una correspondència directa amb dos dels estats del UE (LTE_DETACHED o LTE_IDLE).

La connexió del UE a la cel·la donant del servei a la xarxa LTE es produeix mitjançant un random access , el qual segueix les quatre fases següents de la figura 80:

Figura 80. Diagrama de fase del procés random access en LTE.

Fase 1 – Random access preamble

Aquesta fase té com a objectiu alertar a l’eNode B de la presència d’un UE que vol iniciar un random access per obtenir sincronització en uplink.

En el suposat cas en què dos UE’s iniciïn un random access en un mateix instant de temps LTE garantitza prèviament que la transmissió d’ambdós senyals en aquesta primera fase són ortogonals. En aquest sentit, l’eNode B emet pel canal de broadcast la informació necessària pel què fa als recursos a utilitzar (freqüència i timing) dels UE’s en les transmissions del random access preamble .

- 98 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Com a regla general es garantitza la transmissió del random access preamble en una finestra d’1 ms i amb un ample de banda de 1.08 MHz. La seqüència transmesa es basa en els codis cíclics de Zadoff-Chu, els quals presenten propietats d'autocorrelació cíclica ideal.

Fase 2 – Random access response

En resposta al random access preamble enviat des del UE, l’e-NodeB respon amb un random access response , el qual insereix informació en canal SCH del downlink.

Bàsicament la resposta conté informació relativa a la seqüència original enviada des del UE que ha motivat la contestació i també la correcció en l’interval de transmissió que la UE ha d’efectuar en uplink .

De manera addicional, s’envia al UE quin és el timing per a la transmissió de dades de cara a la tercera fase de la connexió i també un codi identificador per al UE.

Fase 3 – RRC signaling – Identificació de terminal

Un cop finalitzada la segona fase la UE ja està sincronitzat temporalment en uplink. El següent pas és establir una identificació per l’UE de manera que aquest quedi registrat a nivell de cel·la. Aquesta identitat és coneguda amb el nom de C-RNTI.

En aquesta fase l’intercanvi d’informació des del UE es fa en les condicions que li han estat indicades per l’e-NodeB en la fase anterior, tant pel què fa a la freqüència de transmissió com en el timing.

Fase 4 - RRC signaling – Contention Resolution

Aquesta última fase consisteix en assegurar que el procés de connexió a la xarxa LTE des del UE s’ha fet de manera correcta. Per comprovar-ho, s’envia pel downlink una trama a través del canal SCH que conté la identificació C-RNTI assignada a l’UE en la fase anterior i que garantitza que aquest, en rebre’l, pot completar satisfactòriament el random access .

Però què passaria si diferents UE’s intentessin connectar-se a la xarxa en un mateix instant de temps i per tant, en progressar de forma paral·lela en l’establiment de les tres primeres fases del random access , adquirissin codis identificatius C-RNTI iguals? Doncs LTE resol aquest possible problema enviant només un sol missatge pel downlink en un dels UE’s; en aquest escenari, aquest UE completaria satisfactòriament el procés de random access , mentre que els altres terminals haurien de tornar a iniciar el procés des de la primera fase. Per tant, el contention resolution indica la política que se segueix a l’hora d’assignar recursos de xarxa (freqüències, potència de transmissió, etc.) a una sèrie de dispositius que en volen fer-ne un ús en sessions que s’esdevenen en un mateix interval de temps.

Un cop finalitzades aquestes quatre fases, des de la perspectiva de l’UE, ja es pot començar la transmissió de dades.

- 99 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.4.2. Paging

En un sistema cel·lular digital, per tal que el sistema pugui enrutar qualsevol trucada entrant a un terminal de forma directa i automàtica es podria pensar que es necessita que en cada instant de temps la xarxa conegui exactament la posició del terminal; això és que, en cada moment, el terminal indiqui quina és la cel·la a la que es troba connectat. Òbviament aquesta política de transmissió de dades relatives a la posició de l’usuari de forma permanent és insostenible ja que es malgasta una gran quantitat d’ample de banda. Per contra, si la posició del terminal és absolutament desconeguda per la xarxa, a l’hora d’enrutar una trucada entrant el sistema haurà de cercar la UE en una àrea molt gran, propagant una gran quantitat de missatges de paging .

En GSM, UMTS i LTE s’adopta una solució de compromís. S’agrupen un conjunt de cel·les sota un mateix codi d’àrea, i els missatges de paging es propaguen dins d’aquella àrea concreta. El criteri d’assignació de cada grup de cel·les es fa, en general, de forma estadística per tal d’optimitzar les cerques. Cada missatge conté la identitat del terminal contra el qual es fa el paging. A més, el terminal indicarà periòdicament la seva ubicació facilitant així que el sistema pugui trobar-lo de manera senzilla.

En LTE el canal lògic que realitza aquesta funció és el Paging Control Channel (PCCH), el qual suporta transmissió discontinua per permetre que el terminal pugui ‘dormir’ en períodes en el que està inactiu i en canvi es pugui ‘despertar’ quan sigui necessari i rebre informació pel canal de paging .

5.5. Throughput màxim teòric pel downlink

De forma teòrica, els usuaris connectats amb els seus terminals via LTE, podrien obtenir unes taxes de transferència segons el següent raonament:

• Segons l'estructura de la trama, es transmeten 14 símbols OFDM cada 1 ms -> En 1 segon es transmeten 14000 símbols per subportadora.

• L'estació base pot proporcionar informació modulada en 64 QAM -> 6 bits / símbol -> En 1 segon es transmeten 14000 símbols/seg x (6 bits / símbol)= 84 kbps per subportadora.

• 1 PRB equival a 12 subportadores -> 12 x 84 kbps = 1.008 Mbps per PRB.

• Si utilitzem el màxim ample de banda disponible (20 MHz) treballem amb 100 PRB's: 100 PRB's x 1.008 Mbps/PRB = 100.8 Mbps per antena.

• Si fem servir MIMO 4x4 -> 4 antenes x 100.8 Mbps / antena = 403.2 Mbps.

En realitat, però, el throughput màxim se situa al voltant dels 320 Mbps.

- 100 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

5.6. Prestacions RBS 6201 d’Ericsson

El desplegament tecnològic de LTE a la xarxa mòbil de l’operador implica la instal·lació d’una sèrie de nous equips ràdio del tipus eNode B els quals compleixin amb els estàndards i formats requerits des del 3GPP. En aquest sentit, la família de RBS’s del fabricant Ericsson que suporten aquesta funcionalitat són les de la família 6000. Aquestes noves RBS’s no són equips ràdio destinats exclusivament a LTE sinó que són configurables també amb GSM i WCDMA, de manera que des d’un únic bastidor ràdio es poden implementar les tres tecnologies. El fet de compactar les tres tecnologies és molt beneficiós per l’operador que ja disposa de GSM i WCDMA ja que li permet un gran estalvi a nivell d’espai en els seus emplaçaments. A més de l’avantatge del factor multi-estàndard de la RBS, el seu disseny compacte (petites dimensions) fa que sigui més senzilla d’instal·lar i hi hagin menys complicacions derivades del transport de la RBS fins a l’emplaçament.

De les diferents RBS’s de la família 6000, analitzarem la RBS 6201. Aquest és un equip macro indoor , el que significa que ha estat dissenyat per oferir cobertura a una àmplia regió. Els principals mòduls de la RBS outdoor 6201 d’Ericsson són els que s’indiquen a l’esquema de la figura 82, els més importants dels quals són:

• Radio shelf (mòdul ràdio): en aquest espai es destinen les unitats transceptores de l’equip ràdio, el que s’anomenen Radio Units (RU) i Digital Units (DU). Les principals funcions de la RU són les d’assegurar la recepció i transmissió del senyal, fer el filtrat de ràdio freqüència i supervisar l’estat de l'element radiants (antenes) de l’emplaçament ràdio. Per la seva part, les DU’s s’interconnecten amb les RU’s i s’encarreguen del processat digital del senyal, la distribució del rellotge, el processat en banda base, la sincronització amb la xarxa GPS i la connexió amb la unitat de transport de la RBS, la qual actua d’interfície per l’enrutament del senyal cap a la xarxa troncal. Cadascun dels dos radio shelfs suporta un màxim de 6 RU’s, el que significa que s’hi poden instalar un màxim de 12 RU’s amb diverses combinacions entre tecnologies:RU’s de GSM, WCDMA i LTE. Les característiques de les RU’s configurables en LTE són les que observem a la figura 81.

Figura 81. Característiques de les RU’s de la RBS 6201.

- 101 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Power shelf (mòdul d’alimentació): aquest espai està destinat per la instal·lació de les unitats d’alimentació del tipus Power Supply Units (PSU) que han de permetre funcionar la resta de mòduls de la RBS.

• Transport shelf (mòdul de transport): aquest espai està destinat al mòdul de transmissió que transportarà tots els senyals recollits en la interfície aire per tal d’encaminar-los cap a la xarxa troncal. Pot tractar-se del transport del senyal sobre diversos medis de transmissió, com ara per exemple un equip de fibra, IP/Ethernet, ATM, PDH/SDH, xDSL, etc.

El layout de la RBS 6201 d’Ericsson és el següent:

Figura 82. Arquiectura hardware de la RBS outdoor 6201 d’Ericsson.

Els mòduls de ràdio RU destinats a LTE es caracteritzen per suportar potències de transmissió de 60 W i amb amples de banda de 20 MHz, el que ho fa totalment compatible amb les especificacions del 3GPP respecte LTE, com veiem en l’esquema de la figura 83. Existeixen diferents combinacions de RU’s disponibles, sent possible la configuració entre un i sis sectors amb diferents portadores de fins a 20 MHz en diferents bandes de freqüència. Mitjançant la instal·lació de dues RU’s per sector, els mòduls tenen capacitat per ser configurats amb diferents tècniques multi-antena com ara MIMO, diversitat en transmissió o diversitat en recepció.

Figura 83. Configuracions RU’s en LTE. - 102 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Pel què fa a les unitats digitals (DU) disponibles, aquestes contenen les interfícies S1 i Mub de LTE, a més d’una sèrie de ports de diferents tecnologies destinades per la connexió de la RBS amb un equip de transport.

- 103 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

6. Estat de l’art

Els principals fabricants d’equips de telecomunicacions són els responsables de proveir els operadors amb tot el hardware necessari per implementar les noves xarxes de comunicacions basades en LTE. El nou estàndard LTE neix de la release 8 del 3GPP durant l’últim quadrimestre de l’any 2008, la qual va ser la primera que va mencionar aquesta nova tecnologia i que va definir les primeres especificacions que més tard seran d’obligat compliment per part de tots els fabricants d’equips. Aquestes especificacions es referien per exemple, a la nova arquitectura SAE basada en un disseny completament IP, el nou accés per OFDMA o la interfície ràdio compatible amb MIMO. No ha estat fins la release 10 del 3GPP, la qual es troba encara en procés d’aprovació, quan es validarà la solució LTE Advanced que dotarà aquesta tecnologia de compatibilitat amb els requeriments de l’ International Mobile Telecommunications Advanced (IMT); l’IMT només fa referència a uns requeriments determinats impulsats des de l’ International Telecommunication Union (ITU). La motivació principal de la release 10 o LTE Advanced no és una altra que solucionar la problemàtica que la release 8 d’LTE no sigui plenament compatible amb les exigències del IMT per ser considerada formalment com hereva de 4G. Tot i això ja s’han implementat un gran nombre de xarxes basades en release 8. De fet, la primera xarxa LTE que es va llançar comercialment va ser a Suècia el mes de desembre de 2009 per part de l’operador suec Telia-Sonera.

6.1. LTE Advanced

La release 10 de LTE en les especificacions del 3GPP corregeixen els aspectes de la release 8 que són incompatibles amb la recomanació IMT Advanced de la ITU. Les principals novetats que introdueix LTE Advanced respecte la seva predecessora són les següents:

La release 10 de LTE en les especificacions del 3GPP corregeixen els aspectes de la release 8 que són incompatibles amb la recomanació IMT Advanced de la ITU. Les principals novetats que introdueix LTE Advanced (release 10) respecte la seva predecessora són les següents:

• Pics en la taxa de transferència de dades de fins a 1Gbps. • Compatibilitat amb la primera revisió de LTE i utilització de les mateixes bandes espectrals.

• Millora en els sistemes de codificació i correcció d’errors (FEC).

• Major rapidesa en la commutació de la potència de transmissió en els diferents estats del terminal.

- 104 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Major eficiència i millor comportament en el funcionament dels terminals propers al llindar de la cel·la.

• Nou sistema Hybrid OFDMA i SC-FDMA per l’ uplink.

Entre els aspectes més destacats hi trobem també una encara millor optimització de la capacitat i la cobertura disponible per als usuaris, mitjançant dos conceptes interessants. El primer d’ells és el concepte multi-portadora, a partir del qual es permet l’establiment de fins a 5 portadores de 20 MHz cadascuna. Això fa que l’operador tingui disponible en una mateixa banda d’operació un total de 100 MHz tal i com s’indica en la figura 84:

Figura 84. Disseny LTE en mode multi-portadora.

El segon concepte és el que fa referència a l’agregació d’espectre, a partir del qual es poden afegir portadores de 20 MHz però en zones no contigües de l’espectre. Aquesta separació implica que els terminals d’usuari hagin d’estar preparats per suportar aquesta funcionalitat. La figura 85 ens ho mostra:

Figura 85 . Disseny LTE en mode agregació de portadores.

Tots els detalls relatius a la nova release 10, la qual encara es troba en fase d’elaboració i aprovació per part dels diferents grups del 3GPP que hi treballen, es poden conèixer a través de l’especificació TR36.912. Durant el mes de febrer de 2007, abans de la publicació de la primera especificació de LTE, l’operador NTT DoCoMo va anunciar la finalització amb èxit dels tests realitzats amb LTE Advanced, en els quals s’utilitzava un ample de banda de 100 MHz per al downlink i on es va experimentar un throughput d’aproximadament 4 Gbps de baixada en un terminal mòbil desplaçant-se a una velocitat de 10 Km/h.

- 105 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

6.2. LTE Advanced Relay

Un dels principals inconvenients que experimenten els usuaris connectats a la xarxa mòbil es produeix quan els terminals es troben en el llindar de desconnexió d’una cel·la. Aquesta situació és molt freqüent i no és només característica de la xarxa LTE, sinó que es produeix també en WCDMA i GSM. En aquest escenari, per tant, el nivell de potència de recepció del senyal downlink és molt baix, degut probablement a una distància elevada entre el terminal i l’eNode B (els senyals ràdio tenen una determinada capacitat de penetració en edificis i llocs interiors que no són objecte d’estudi en aquest apartat). Un baix nivell de recepció té com a conseqüència una baixa eficiència ràdio, una baixa relació de la SNR i, en definitiva, una capacitat molt limitada de recepció de dades des del terminal d’usuari. Per a aquestes situacions s’està desenvolupant una tècnica que permetrà que els usuaris propers al llindar de cobertura de les cel·les a les que es troben connectats, siguin capaços de millorar la capacitat de les seves comunicacions a partir de l’optimització de la SNR. Pel cas de LTE, s’està estudiant la viabilitat de la tècnica LTE Advanced Relay per tal d’afegir-la en les especificacions del 3GPP ( Release 10). Aquesta tècnica, la qual podem observar en el dibuix de la figura 86, es basa en la utilització de nodes LTE del tipus relay. Aquests nodes són similars, conceptualment, a un repetidor mòbil però amb diferències significatives. Els repetidors convencionals són elements passius que redistribueixen el senyal ( re-broadcast ) i no fan cap processat del mateix. En canvi, els relays de LTE són elements que seran capaços no només de rebre el senyal sinó també de desmodular-lo, descodificar-lo, aplicar la correcció d’errors i tornar-lo a transmetre. Aquesta regeneració del senyal ampliarà l’àrea de cobertura de les cel·les LTE però també maximitzarà la capacitat dels terminals als quals ofereixi servei. Cada node relay està connectat a una estació determinada (eNode B donant) i els terminals LTE es connectaran al node relay per proximitat geogràfica (altres es connectaran directament via eNode B) . Mitjançant aquesta tècnica els operadors aconseguiran minimitzar els costós derivats d’aquesta millora en la xarxa; per resoldre aquest problema, l’opció alternativa fins ara havia estat sempre la instal·lació de noves estacions base (eNodes B en aquest cas) corresponents a la tradicional expansió de xarxa. Aquesta opció no només és més cara sinó que a més es necessita una solució de backhaul per a les noves estacions base. LTE Advanced Relay , en canvi, no requereix cap tipus de connexió cap al nucli de la xarxa ja que és una solució que depèn d’una cel·la concreta i treballa només amb ones de ràdio (tampoc consumeix recursos al nucli de la xarxa).

Figura 86. Funcionalitat LTE Advanced Relay .

- 106 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

6.3. Implantació de xarxes

Actualment han estat ja múltiples els experiments, les configuracions provades i els treballs de recerca que s’han dut a terme utilitzant LTE com a tecnologia d’accés. En aquests moments les fites que s’han aconseguit en el procés de desenvolupament de LTE han estat les següents:

• Throughput de 326 Mbps en el downlink en configuració MIMO 4x4.

• Throughput de 86.4 Mbps en l’ uplink en un ample de banda de 20 MHz i configuració amb una sola antena.

• Connexió de 200 usuaris en una cel·la.

• Funcionament en la banda dels 900 MHz amb radis de cel·la de fins a 5 Km.

• Latència de 5 ms en paquets IP.

• Interoperabilitat amb sistemes existents GSM i WCDMA.

En el procés d’evolució de LTE, els diferents fabricants d’equips com ara Nokia, Ericsson, Motorola o Alcatel-Lucent han estat part interessada del desenvolupament tecnològic de LTE, conjuntament amb la majoria d’operadors mòbils. L’escala de temps que ha anat seguint l’evolució de LTE des de la publicació de les especificacions per part del 3GPP fins a l’actualitat, ha estat la següent:

• Durant el mes de febrer de 2008, en el marc del congrés mundial de telefonia mòbil dut a terme a Barcelona, Ericsson va establir la primera trucada amb LTE end-to- end .

• El 14 de desembre de 2009 va iniciar-se p er primera vegada i a nivell mundial, l’operació de la primera xarxa LTE. Els serveis LTE ja s’estan oferint a les ciutats d’Oslo i Estocolm per part de l’operador Telia Sonera. A més, aquest operador té previst tenir operatives noves xarxes LTE a un total de 25 ciutats nòrdiques, completant l’expansió de LTE a països com Estònia, Finlàndia i Dinamarca. A la figura 87 podem observar el format d’un adaptador LTE USB de Samsung. Figura 87. Adaptador LTE

• El 10 de febrer de 2010, un dels més grans operadors de telefonia mòbil als Estats Units d’Amèrica AT&T va anunciar els seus plans d'implantació de la nova xarxa LTE al llarg del país.

• Durant el mes de maig de 2010 es van fer públiques les previsions dels operadors Telia Sonera, Telenor i TDC Network per tenir a punt el servei LTE en el primer quadrimestre de 2011.

• A principis del mes de juny de 2010, la comissió nacional de telecomunicacions de Tailàndia va anunciar la subhasta pública de tres llicències disponibles per a LTE,

- 107 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

de forma que el servei estigui operatiu per als usuaris en el primer quadrimestre de l’any 2011.

• A finals del mes d’agost de 2010, l’operador kenià Safaricom va anunciar els seus plans de nova implantació de LTE en la seva xarxa.

• El 16 de Setembre de 2010, l’operador Verizon Wireless va anunciar la implantació de noves xarxes LTE en 30 noves ciutats dels Estats Units d’Amèrica i principals aeroports del païs, les quals han d’estar ja operatives a finals de 2011.

Figura 88. Plans d’implantació de LTE als Estats Units per part de Verizon Wireless.

• A finals del mes de Setembre de 2010, l’operador MetroPCS (cinquè operador americà de comunicacions mòbils) es va començar a desplegar la nova xarxa LTE a la ciutat de Dallas als Estats Units d’Amèrica. Els serveis de MetroPCS s’ofereixen sobre un dels primers terminals LTE de Samsung, com es pot comprovar a la figura 89.

Figura 89. L’operador MetroPCS comercialitza un dels primers terminals LTE de Samsung.

• A França, l’operador Orange està actualment realitzant un trial a la ciutat de Paris amb transmissions en 10 i 20 MHz. El llançament dels serveis LTE es preveu per a finals de l’any 2012. Alternativament, l’operador Bouygues Telecom està provant LTE en la banda dels 1800 MHz utilitzant MIMO 2x2 a la ciutat d’Orléans; es preveu que pugui llançar comercialment el servei durant el mes de juny de 2012.

- 108 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Pel què fa a l’estat espanyol, Telefònica de España ha desenvolupat les primeres proves en el seu centre de demostracions de Madrid i està també realitzant proves a països com l’Argentina, Brasil, República Txeca, Perú, Eslovènia i Regne Unit.

6.4. Aplicacions i serveis LTE

El gran ample de banda que LTE és capaç d’oferir obrirà un ampli ventall de possibilitats per a noves aplicacions de dades que fins ara no s’havien pogut implementar, degut a les limitacions de WCDMA però sobretot de GSM. Els nous terminals LTE es convertiran en dispositius dotats de connexió de banda ampla mòbil, amb velocitats de transferència teòriques molt superiors als ADSL domèstics. Això permetrà disminuir els temps de descàrrega per als serveis de dades.

Al marge del servei de veu, el qual serà completament IP extrem a extrem, es milloraran les actuals aplicacions de Mobile TV que ja estan sent introduïdes en el mercat. En definitiva, els serveis més destacats que LTE proporcionarà són els següents:

• Descàrrega de dades: el gran ample de banda disponible permet la reducció dels temps descàrrega per al correu electrònic, navegació per internet o descàrrega de fitxers.

• Telefonia multimèdia: les converses de veu entre terminals LTE seran completament IP, el que permetrà noves funcionalitats i dotarà de noves característiques al servei tradicional de veu que prèviament es basava en commutació de circuits.

• Mobile TV en alta definició: alta capacitat per a vídeo s treaming , possibilitant noves aplicacions de posicionament, connexió en mitjans de transport (tren, cotxe, etc.), e-commerce mòbil i aplicacions d’ e-health .

En el següent vídeo es poden veure la gran quantitat de possibilitats que estaran disponibles mitjançant LTE [16].

- 109 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

7. Conclusions

El mercat de les comunicacions mòbils ha patit nombrosos canvis des dels primers llançaments comercials a la dècada dels anys 80 corresponents a 1G. El mercat ha evolucionat de la mateixa manera que ho ha fet la tecnologia, la qual ha anat marcant el camí en la relació a la manera amb la que interactuem amb els dispositius mòbils.

Amb el pas dels anys el tipus de tràfic generat pels usuaris s’ha anat transformant, en la mesura en què les possibilitats de comunicació des dels terminals mòbils ha augmentat. Inicialment, durant la dècada dels anys 90 l’explosió de GSM va significar un gran impuls pel desplegament dels principals operadors mòbils. Un cop la xarxa va quedar consolidada i el servei de veu mòbil es va universalitzar, s’inicià la demanda de nous serveis i aplicacions de dades mòbils. L’ample de banda limitat per a les comunicacions de dades que GSM podia oferir va obligar als operadors a implementar 3G mitjançant WCDMA com a tecnologia d’accés. El throughput mig d’usuari va augmentar significativament (especialment en situacions de baixa congestió) i això va permetre una diversificació en els serveis oferts fins llavors per GSM.

L’auge provocat pels nous dispositius mòbils com ara l’iPhone ha donat un impuls molt important al sector, el qual ha anat buscant la manera de proveir els seus clients amb una gran varietat d’ofertes i noves aplicacions de dades.

La tecnologia LTE representa el següent pas en l’evolució de les xarxes 3G basades en WCDMA i s’enfoca de forma clara cap a les connexions per a tràfic IP. LTE també introdueix una important millora en la utilització de la interfície aire respecte la tecnologia HSPA, en qualsevol de les seves variants. Les noves prestacions que LTE introdueix són degudes al nou mode d’accés, basat en la tècnica OFDM. És, doncs a la part ràdio on LTE es distancia de totes les altres tecnologies mòbils precedents, proporcionant una flexibilitat enorme en l’assignació de recursos ràdio als usuaris i adaptant-se òptimament a les característiques del canal en tot moment. Podríem dir que la intel·ligència de LTE resideix en la capa ràdio.

La tendència de les noves tecnologies de banda ampla mòbil com LTE va en la direcció de simplificar la topologia de xarxa, optimitzar la utilització dels recursos ràdio disponibles i flexibilitzar les condicions de desplegament del nou servei. LTE aconsegueix aquest darrer punt permetent diferents amples de banda configurables des dels 1.4 MHz fins als 20 MHz i fins i tot amb possibilitat d’aplicar tècniques multiportadora o d’agregació de portadores; això es pot traduir, finalment, en un ample de banda equivalent de 100 MHz.

La nova arquitectura de LTE basada en SAE proporciona, com no havia passat mai abans en 2G i 3G, un entorn òptim per l’escalabilitat de la xarxa. Aquesta arquitectura fa compatibles i al mateix temps independents, diferents estructures RAN que estiguin implementades per l’operador. Això significa que un operador que tingui LTE en funcionament, la topologia de la xarxa troncal li permetrà en un futur desplegar una nova estructura RAN, basada per exemple en Wimax (família d’estàndards 802.16) o bé 5G. Aquesta flexibilitat de la xarxa troncal minimitza els costós associats al desplegament de les noves xarxes.

Un altre avantatge de l’arquitectura SAE és que té com a resultat que LTE tingui major facilitat d’integració de nous nodes a la xarxa respecte altres tecnologies ja que no s’han d’actualitzar les bases de dades dels nodes intermitjos (per exemple les BSC’s i les MSC’s de GSM). La topologia de LTE fa que els eNodes B estiguin directament

- 110 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

connectats al nucli de la xarxa, facilitant el procés d’integració i de posterior manteniment dels nodes ràdio.

El resultat de totes aquestes millores, sumat a l’impacte de les noves tecnologies MIMO, porten a grans amples de banda de transmissió disponibles per als usuaris i en un augment enorme en els throughputs d’usuari. LTE ha estat dissenyat per suportar aquestes característiques, tot reduint la inversió dels operadors en els nous elements de xarxa.

D’altra banda, una de les grans incògnites resideix en els continguts que s’oferiran als usuaris. Els grans amples de banda disponibles no tenen sentit sense uns continguts i aplicacions associades que puguin omplir-los. A més, cal que les noves aplicacions mòbils siguin atractives pels usuaris i justifiquin nous subscriptors LTE. En qualsevol cas, LTE ja s’ha posicionat com la gran candidata a ocupar un lloc important en les preferències dels nous operadors per a adoptar-la comercialment arreu del món com a tecnologia de banda ampla mòbil.

- 111 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

8. Bibliografia

[1] 3G Evloution: HSPA and LTE for Mobile Broadband: Eric Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld, Per Beming.

Elsevier (Academic Press Publications).

ISBN: 9780123725332

[2] LTE, The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice: Stefania Sessia, Issam Toufik, Matthew Baker.

Wiley Publications.

ISBN: 9780470697160

[3] WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications: Harri Holma, Antti Toskala.

John Wiley & Sons.

ISBN: 9780471720515

[4] http://www.alcatel-lucent.com/

[5] http://www.nokiasiemensnetworks.com/

[6] http://www.ericsson.com

[7] http://www.gsmworld.com/

[8] http://www.radio-electronics.com

[9] http://www.3gpp.org

[10] http://www.wikipedia.org

[11] http://3g4g.blogspot.com

[12] http://www.redeweb.com

[13] http://www.motorola.com/es

[14] http://www.slideshare.net/ppsong/lte-tutorial

[15] http://www.umtsworld.com/technology/wcdma.htm

[16] http://es.wikitel.info/wiki/LTE

[17] http://www.youtube.com/watch?v=xQDGH9JzZtA

- 112 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

I. Annex primer: Simulacions VSA

En aquest apartat es pretén donar una visió pràctica dels diferents aspectes tractats en el projecte fins ara. Realitzarem una anàlisi de la tecnologia GSM, WCDMA i LTE a través de les modulacions que utilitzen i observarem les característiques bàsiques dels senyals que les conformen. Per aconseguir-ho, hem utilitzat el software Vector Signal Analyzer 89600 d’Agilent (VSA). Aquest programa té les eines necessàries per realitzar tot tipus de mesures sobre una llarga llista de senyals (corresponents a estàndards de comunicacions o també de qualsevol altra naturalesa) corresponents a diferents tecnologies, entre elles les que tractem en aquest projecte. En el nostre cas, per tant, ens ha estat suficient analitzar els senyals genèrics GSM, WCDMA i LTE emmagatzemats en la memòria del programa ja que aquests contenen la informació suficient per veure’n les propietats essencials. Si volguéssim estudiar qualsevol altre tipus de senyal, l’VSA permet la connexió d'hardware extern, és a dir un equip de mesures tal com un analitzador d’espectres, un oscil·loscopi, fonts de generació de senyals, etc. L’arquitectura de connexió en aquest cas seria la que es mostra en la següent figura:

Figura 1. Esquema de connexió de hardware extern a un PC amb VSA.

En el nostre cas, però, no serà necessària la connexió d'hardware addicional.

L’aplicació VSA funciona de manera que, un cop seleccionat el senyal d’interès a analitzar existent en el directori de llibreries del VSA, carrega una sèrie de pantalles on es visualitzen diferents aspectes del senyal seleccionat. El format de visualització és del tipus graella i conté fins a sis finestres i per les quals es poden definir els paràmetres a analitzar (diagrama de modulació, format espectral i temporal del senyal, vectors d’error de la modulació, resposta impulsional del canal, etc.). El més recomanable, però, ja que les diferents finestres mostren la informació simultàniament, és visualitzar els detalls de cada tecnologia en només dues o tres finestres diferents, per tal de tenir més precisió en les mesures a realitzar. Tots els senyals analitzats estan referenciats a una freqüència de portadora de 1 GHz.

- 113 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

I.I. Mesures GSM

En els següents diagrames podem observar els diferents aspectes que caracteritzen la tecnologia GSM:

• Ample de banda ocupat : Occupied Bandwidth (OBW). La figura 2 ens mostra quin és l’ample de banda en GSM per a una portadora centrada a 1 GHz. En realitat les bandes de funcionament més habituals es troben al voltant dels 1800 MHz per al cas de GSM 1800 (DCS) i dels 900 MHz per la versió de GSM 900. Segons la taula- resum comprovem que aquest canal ocupa 200 KHz, i que aquest ample de banda representa el 95.9 % de potència total de la banda.

Figura 2. Ample de banda ocupat en GSM.

• Espectrograma : en la figura 3 observem la continuïtat de l’espectre en GSM. La utilització d’un ample de banda de 200 KHz és constant en el domini del temps segons mostren les línies que s’estenen al llarg de l’eix vertical (mateixa potència). El codi de colors indica que les franges més properes al vermell són les de major potència, mentre que les més blavoses indiquen el contrari; en el centre de la imatge, coincidint amb la freqüència central de portadora, tenim les franges de major potència (al voltant dels -25 dBm).

- 114 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 3. Espectrograma GSM.

• Trama GSM : en la figura 4 podem observar una trama GSM, que pot correspondre tant al downlink com a l’ uplink . El període d’una trama equival a uns 4.1 ms, els quals es divideixen en vuit time slots . A la figura 4, només un usuari està utilitzant el canal a través d’un time slot de 0.577 ms de durada.

Figura 4. Trama GSM en el domini del temps

• Modulació GMSK : l’esquema de modulació de GSM es basa en GMSK, la qual és una modulació de fase que minimitza les discontinuïtats del senyal de sortida tot i que el senyal modulador contingui informació amb salts freqüencials.

A la figura 5 veiem els quatre possibles símbols de GMSK en el domini I-Q i la diferència de fase entre un punt situat a l’origen del pla I-Q (zero graus) respecte un símbol rebut (135˚).

- 115 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 5. Modulació GMSK de GSM.

• Error Vector Magnitude (EVM) : l’esquema de la figura 6 ens mostra la magnitud del vector error. Com sabem, GSM utilitza GMSK com a modulació; per tant, el receptor espera rebre fins a un màxim de quatre símbols diferents en qualsevol instant de temps. Aquesta mesura quantifica el rendiment de la ràdio transmissora, i en aquest cas podria tractar-se tant de la BTS com del terminal ja que el senyal de referència no està definit segons un criteri uplink / downlink . Teòricament una ràdio transmissora ideal hauria de produir símbols GMSK situats exactament al damunt de la posició ideal de la constel·lació GMSK. Malgrat tot, degut a les imperfeccions de les ràdios, els punts reals de la constel·lació són transmesos de forma que estan desviats respecte la seva posició ideal. Això pot ser provocat per una freqüència de portadora lleugerament diferent a la ideal, soroll de fase o una baixa relació de rebuig a la freqüència imatge.

Mitjançant la desmodulació dels símbols en l’extrem receptor som capaços de quantificar el vector d’error, el qual definim com la diferència en el pla I-Q, entre un símbol ideal i un de real.

Numèricament, l’obtenció de la magnitud del vector error EVM equival a la relació entre la potència mitja del vector error i la potència del senyal de referència (en el cas de GSM és la màxima potència del senyal). La fórmula que defineix l’EVM és:

En canvi, si volem definir el vector d’error en percentatge ho podem fer de la següent manera:

- 116 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

En la figura 6, comprovem que el VSA ens analitza uns 78 símbols de GSM, corresponents a un time slot d’un usuari. En cap d’aquests se supera un EVM del 1.6%, i el valor màxim el trobem en el símbol 14 amb un 1.51%. A la part inferior, trobem el valor digital del senyal desmodulat ( time slot d’usuari):

Figura 6. Magnitud del vector d’error EVM.

- 117 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

I.II. Mesures EDGE-GSM

EDGE representa l’evolució de GSM, en el sentit que és un pas endavant pel què fa a una major utilització de l’ample de banda per a la comunicació de l’usuari. Aquesta tècnica, implementada tant en les estacions base com en els aparells terminals, és plenament compatible amb GSM i de fet, segueix els mateixos estàndards i protocols en la capa d’enllaç i de xarxa. Bàsicament, la gran diferència es troba en el fet que EDGE permet canviar l’esquema de modulació a 8-PSK, en front de GMSK de GSM tradicional. D’aquesta manera, s’aconsegueix una millor utilització de l’espectre disponible i l’assignació de més d’un time slot per a l’usuari permet velocitats de descàrrega superiors a les ofertes per a GSM.

En l’esquema de la figura 7 podem veure la constel·lació 8-PSK d’EDGE, formada per vuit símbols:

Figura 7. Esquema de modulació d’EDGE basat en 8-PSK.

El format de la trama GSM es manté, tot i que ara l’assignació de recursos ( time slots ) és més flexible, en el sentit que un terminal pot fer ús de diversos slots dins d’una mateixa trama ràdio, com podem veure a la figura 8. En la mateixa figura i a la part inferior, observem el senyal desmodulat, el qual ens mostra una major densitat de bits per símbol, resultant en un nombre de símbols total superior respecte a la modulació GMSK de GSM tradicional.

- 118 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 8. Utilització de la trama ràdio en EDGE.

- 119 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

I.III. Mesures WCDMA

En els següents diagrames podem observar els diferents aspectes que caracteritzen la tecnologia WCDMA. Per il·lustrar-ho hem utilitzat els senyals de referència de les especificacions del 3GPP per al downlink.

• Ample de banda ocupat : Occupied Bandwidth (OBW). La figura 9 ens mostra les mesures obtingudes pel senyal WCDMA en l’extrem del terminal mòbil. El que estem veient és, en el domini de la freqüència, l’ample de banda d’un senyal WCDMA per a una portadora centrada a 1 GHz.

Sabem que WCDMA utilitza tècniques d’espectre eixamplat que fan que la potència de transmissió des de l’estació base (Node B) es reparteixi en un marge de freqüències elevat degut a l’aplicació dels codis de canalització i d’ scrambling. Això resulta en una sèrie de millores en el sistema.

Segons la taula-resum de la figura comprovem que aquest canal ocupa uns 4.1 MHz i que aquest ample de banda representa el 99 % de la potència total de la banda.

Figura 9. Ample de banda d’un senyal WCDMA pel downlink.

• Espectrograma WCDMA : la figura 10 ens mostra la topologia de l’espectre d’un senyal downlink WCDMA centrat a 1GHz. Com veiem, la utilització del canal és pràcticament total, ja que els 5 MHz de l’ample de banda contenen informació.

- 120 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Segons comprovem, les línies de color groc i taronja es corresponen amb un nivell de senyal rebut que es troba al voltant dels -30 dBm’s. Aquests valors de potència ens indiquen que el receptor estaria molt a prop de les antenes del Node B ja que el nivell de camp és força elevat.

Figura 10. Espectrograma de WCDMA centrat a 1 GHz.

• Code Domain Power (CDP) : en la figura 11 podem observar quins són els codis de canalització que s’estan utilitzant per la multiplexació dels usuaris en downlink. WCDMA disposa, pel cas del downlink, d’un conjunt de 256 codis assignables, els quals estan representat per l’eix x de la gràfica superior de la figura 11.

A la part inferior del gràfic hi trobem la taula resum amb els valors de potència de cadascun dels codis de canalització que estan actius, normalitzats respecte la potència total del senyal i pertanyents a un scrambling code (SC) determinat. Generalment, com que el SC fa referència a una cel·la o antena, podem dir que el gràfic 11 mostra un conjunt de 16 codis.

- 121 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 11. Codis de canalització enviats des del Node B.

• Visualització espectral i constel·lació : en la part superior del diagrama de la figura 12 podem observar la representació del senyal downlink en el domini de la freqüència. Com podem comprovar, a la freqüència de portadora de 1 GHz i amb un ample de banda de 3 MHz hi tenim repartida la informació dels diversos canals de baixada. Les tècniques d’espectre eixamplat de WCDMA divideixen la informació en un ample de banda elevat; això permet, entre d’altres: major immunitat davant les interferències, mitigació de l’efecte multicamí i alta confidencialitat de les comunicacions.

Pel que fa a la part inferior de la figura 12, s’hi presenta la constel·lació del senyal downlink mesurat en format I-Q. El que podem observar és la constel·lació representativa de WCDMA en el canal de baixada, que és una QPSK. L’obtenció d’aquest senyal ha estat a partir del mostreig al temps de chipping , i per l’aplicació d’un codi de canalització i d’ scrambling concret (S256(0) per ser més exactes).

- 122 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 12. Constel·lació del senyal WCDMA en downlink en format I-Q i senyal demodulat (inferior).

• Anàlisi d’errors downlink: en la gràfica 13 hi trobem els diferents valors dels errors en el canal downlink en el domini del temps. En el gràfic s’hi representa l’error en funció de la seqüència de chipping . En la taula-resum que apareix en la part inferior de la figura 13 hi trobem els valors de l’EVM analitzats, així com els valors màxims trobats. En aquest cas, s’especifica el canal en el que s’ha trobat el màxim.

- 123 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 13. Anàlisi dels chips erronis en downlink.

• Mesures trama uplink : el diagrama de la figura 14 mostra les característiques del senyal WCDMA en sentit uplink . Es poden apreciar algunes diferències significatives respecte el canal de baixada downlink. La primera d’elles es troba en el fet que la primera gràfica relativa al Composite CDP es representa el senyal uplink en dos plans diferents (I i Q). D’aquesta manera se separen els diferents canals presents en l’ uplink , mapejant els de dades en el pla I i els de control en el pla Q. A més, els canals del pla I estan representats per damunt de l’eix x mentre que els relatius al pla Q es troben per sota de l’eix y. Segons això, el senyal de la figura transporta només 3 canals, dos dels quals són de dades i un de control.

L’esquema de la figura 15 ens mostra com és el modulador i el procés d’eixamplament del senyal en uplink . Com podem veure, el DPDCH (canal de dades) segueix la branca I, mentre que el DPCCH (canal de control) segueix la branca Q.

Pel que fa a la part inferior del gràfic, aquest ens mostra una de les característiques del senyal de pujada, que a diferència del downlink utilitza la modulació BPSK, de forma que resulten dos símbols possibles. La representació del senyal desmodulat només aporta informació en un dels plans I-Q.

- 124 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 14. Senyal uplink WCDMA.

Channelization codes (OVSF)

cD cos( ωωωt)

I Real DPDCH cscramb p(t)

I+jQ cC sin( ωωωt)

Q Imag DPCCH ∗∗∗j p(t)

Figura 15. Els canals de dades i de control segueixen diferents branques I i Q en uplink.

- 125 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

I.IV. Mesures HSPA+

En el següent apartat analitzem les particularitats de HSPA+, també conegut amb el nom de Evolved HSPA o Release 7. Es tracta d’una variant de HSPA (que engloba HSDPA i HSUPA, Release 5 i 6 respectivament). Aquesta tecnologia permet taxes de transferència de dades amb pics de fins a 54 Mbps per al downlink i de 22 Mbps per l’ uplink. Aquestes dades són teòriques i en la realitat HSPA+ assoleix velocitats de descàrrega de l’ordre dels 21 Mbps per al downlink , en front del 14 Mbps que ofereix HSDPA. Ja existeixen xarxes mòbils oferint aquest tipus de serveis com per exemple a Austràlia, on l’operador Telstra ja va implementar la funcionalitat HSPA+ a principis de l’any 2009 amb un throughput de 21 Mbps. Aquest estàndard augmenta la velocitat de transmissió de dades respecte de WCDMA i les tècniques HSDPA i HSUPA; bàsicament ho aconsegueix gràcies a l’esquema de modulació utilitzat basat en 64QAM (WCDMA utilitza QPSK i HSDPA 16QAM). A més, és compatible amb les tècniques MIMO per la maximització del throughput d’usuari.

En la figura 16 podem observar les principals diferències de HSPA+ respecte HSDPA, pel cas del downlink. HSPA+ utilitza un esquema de modulació de major densitat amb 6 bits per símbol, el que resulta en una 64 QAM. A la figura, les rodones de color gris representen els punts on idealment haurien de caure els valors del senyal rebut per tal d’evitar errors en la desmodulació. Just per sota de la gràfica veiem la taula que resumeix els errors trobats per a cada s lot de la trama. Pel cas del slot número 10, el valor de pic del EVM s’assoleix en el símbol 102 i el màxim error de fase esdevé en el símbol 87 amb una desviació de 1.24 graus.

Figura 16. Constel·lació de HSPA+ al downlink i errors en la recepció dels símbols. - 126 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

I.V. Mesures LTE

En aquest apartat ens dedicarem a analitzar diversos senyals de referència emmagatzemats al VSA i els quals fan referència tots ells a LTE. En la biblioteca del VSA hi trobem diversos senyals corresponents a LTE i que tenen diferents amples de banda, en funció del nombre de subportadores utilitzades. LTE admet canals de 1.4 MHz i d’aquí es va creixent a ritme de 15 KHz, que és l’ample de banda de les subportadores OFDM que anem afegint. El màxim se situa en els 20 MHz, el que equival a treballar amb 1200 subportadores.

En primer lloc analitzarem un senyal downlink amb portadora centrada a la freqüència d’1 GHz, amb un ample de banda de canal de 5 MHz i mode FDD. Estem analitzant un senyal format per més de 300 subportadores, les quals poden estar modulades en QPSK, 16QAM o 64QAM. Aquest senyal forma part de les especificacions del 3GPP, precisament de la v 8.6.0 de l’estàndard TS 36.211 (Març 2009).

• Ample de banda ocupat : Occupied Bandwidth (OBW). La figura 17 ens mostra les mesures obtingudes pel senyal downlink de LTE en l’extrem del terminal mòbil. El que estem veient és, en el domini de la freqüència, l’ample de banda d’un senyal LTE per a una portadora centrada a 1 GHz. Com ja hem comentat anteriorment LTE permet treballar en diferents amples de banda que van des de 1.4 MHz fins a 20 MHz, el que significa que la capacitat disponible per als usuaris és variable. En aquest cas, però, el criteri de disseny d'ha fixat un ample de banda de portadora de 5 MHz. A més, segons podem veure el nivell de camp rebut es troba al voltant dels -40 dBm’s en tota la banda d’interès, el que significa que ens trobem molt a prop de l’estació base (eNode B).

Figura 17. Ample de banda ocupat pel senyal downlink de referència LTE.

- 127 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Espectrograma LTE : en aquest apartat podem veure, a través de la figura 18, com es conforma l’espectre del senyal downlink de LTE. Com ja hem remarcat anteriorment els recursos ràdio disponibles són assignats de forma dinàmica en tot moment. Això significa que per exemple, en el domini del temps, només es transmetrà quan sigui necessari i en els intervals de temps en els que sigui necessaris, atenent a criteris com ara el tipus de dades a transmetre, la disponibilitat i la qualitat del canal ràdio, etc. Succeeix exactament el mateix en el domini de la freqüència. En la figura inferior observem com la major part del temps la utilització del canal és pràcticament total pel què fa al 5 MHz disponibles (banda de color groc indica potència de recepció). En aquesta zona també hi podem comprovar com hi ha certes parts de l’espectre, durant un cert interval de temps, en les que la potència rebuda és lleugerament superior a la resta (franges de color taronja superposades al damunt de les grogues); fins i tot si observem amb major deteniment serem capaços d’identificar alguns breus períodes de temps on la potència del senyal és inferior (puntets de clor verd). Tota aquesta sèrie de variacions en la potència del senyal rebut responen a les característiques del canal ràdio, el qual té una resposta impulsional que condiciona la recepció del senyal. Els esvaïments selectius en freqüència son fenòmens propis del canal mòbil

D’altra banda també existeix un interval de temps, delimitat per les franges de color blau, on semblaria que no s’ha transmès cap tipus de senyal des de l’eNode B. El motiu pel qual trobem aquest gap es deu a que el software de l’VSA utilitza com a senyal de referència la captura d’un interval de temps determinat de la trama LTE, el que significa que no es tracta que l’eNode B no emeti cap senyal, sinó que nosaltres només som capaços de visualitzar aquell període de temps concret del senyal downlink d’LTE.

Per últim, destacar les dues bandes de freqüència que presenten els tons de color verd, situades tant a la banda espectral superior com inferior. Aquestes zones representen les emissions espúries que resulten del canvi abrupte en el senyal transmès des del receptor a l’hora d’activar i desactivar els transmissors.

Figura 18. Espectrograma del downlink de LTE.

- 128 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Modulació OFDM : la figura 19 ens mostra els símbols transmesos des de l’extrem de l’eNode B. D’entrada, però, començarem parlant sobre la part inferior de la figura, on hi apareixen tots els canals i senyals detectats. La informació que hi trobem fa referència a la magnitud del vector error (EVM), potència, format de la modulació i nombre de resource blocks detectats per a cadascun dels canals de l’ uplink i també per les seqüències de sincronització. Cada canal està codificat amb un color determinat, el qual es manté en la resta de mesures del VSA.

Pel què fa a la part superior de la figura hi trobem la constel·lació de símbols rebuts, la qual segueix el codi de colors dels canals els quals representen aquests punts. Per exemple tenim tres colors relatius al PDSCH (canal que conté les dades dels usuaris) segons estigui modulat en QPSK, 16QAM i 64QAM. Això conforma que els punts de la constel·lació caiguin en una zona o en una altra en funció de la modulació utilitzada. Per exemple en el cas del PDSCH QPSK, els quatre punts vermells són, en format I-Q, el lloc d’aquest espai on es reben els símbols d’aquest canal. LTE és capaç d’adaptar el format de la modulació en funció de les condicions del canal ràdio, utilitzant de manera eficient l’espectre disponible en cada moment. Pel que veiem a la figura, doncs, trobem dades d’usuari modulades en diferents formats.

Figura 19. Símbols OFDM pertanyents a diferents canals.

- 129 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Magnitud del vector error (EVM): en les gràfiques de les figures 20 i 21 analitzem els errors en recepció dels símbols rebuts a través de la magnitud del vector error (EVM). L’anàlisi de les figures de mèrit com per exemple l’error en freqüència, l’EVM de pic o el tracking error permeten aprofundir en les causes d’un possible mal funcionament de LTE. En la part superior de la figura trobem representats els valors de l’error en el domini de la freqüència i en funció de la subportadora. Podem constatar que l’error esdevé màxim tant en la part superior com inferior de l’espectre ja que són les zones més allunyades de la freqüència central de portadora i que són el límit del canal downlink . De fet comprovem que l’EVM de pic es troba localitzat en el símbol 35 de la subportadora número 150 i que en valor mig en l’ample de banda total utilitzat, els càlculs del vector error donen com a resultat 574 m% (és la relació entre la potència de l’error respecte la potència del senyal de referència).

Figura 20. Taula- resum de la magnitud del vector error en el domini de la freqüència.

- 130 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Pel que fa a la figura 21 hi trobem també la representació del vector error però en aquest cas en el domini del temps. La taula inferior de la figura ens mostra els canals downlink disponibles amb les seves potències de recepció per a cadascun d’ells; pel que fa a la gràfica, s’hi dibuixen els valors de l’EVM registrat en cada símbol i per a tots els canals. Cal recordar que un símbol OFDM conté informació de múltiples freqüències (tantes com subportadores utilitzin el canal ràdio), i en elles s’hi mapeja la informació de diversos canals i senyals. La gràfica de la figura 21 està agafada en el mateix instant de temps que la taula de la figura anterior número 20 i per tant, les dades d’ambdues es corresponen. Això es demostra en el fet que s’hi analitzem el pic de l’EVM en el domini temporal, el trobarem aproximadament amb un 2.5m% en el canal PDSCH 16QAM (color taronja), fet que és coherent amb els valors de la taula de la figura anterior.

Figura 21. Magnitud del vactor error en el domini del temps.

- 131 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

• Detected Allocations Time : la figura 22 ens mostra, de la mateixa manera que en l’apartat anterior, la relació de canals i senyals presents en la trama downlink . En aquest cas però, observem com en la part superior del gràfic s’hi representa la distribució de tots els canals i senyals de la trama. L’eix de les x té format temporal i hi trobem els valors dels símbols OFDM rebuts. Si ens hi fixem veurem com al llarg de l’eix, és a dir al llarg dels diversos símbols OFDM, s’hi mapegen diferents canals i senyals de LTE. De fet, com que estem analitzant una trama i sabem que aquesta està formada per 20 slots , els quals contenen al mateix temps 7 símbols OFDM cadascun, obtenim 140 símbols; aquest valor coincideix amb el límit dret de la gràfica. Pel que fa a l’eix de les y la representació és freqüencial, en forma de subportadores de 15 KHz. En total tenim més de 300 subportadores, el qual es tradueix en un ample de banda equivalent de 5 MHz.

Figura 22. Gràfica de canals Detected Allocations Time de LTE.

Si ens fixem amb més deteniment ens adonarem de les característiques dels canals pel que fa a la seva posició dins la trama LTE, les quals segueixen les especificacions del 3GPP respecte de LTE. Entre els aspectes més destacats hi trobem els següents:

• El canal de broadcast PBCH (color verd) es troba dins dels primers 4 símbols del segon slot dels 6 RB’s centrals en el domini de la freqüència. A la figura 23 podem comprovar la ubicació d’aquest canal, el propòsit del qual és el de

- 132 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

transmetre informació del sistema cap als terminals per permetre la connexió d’aquests a la xarxa LTE.

• El senyal de referència o senyal pilot es transmet cada sis subportadores OFDMA en els símbols 0 i 4 de cada slot. Aquest senyal té una funció molt important, d’aquí el fet que s’insereix en tots els slots de la trama downlink . Gràcies al senyal de referència transmès des de l’eNode B i modulat en QPSK, l’equip terminal pot fer l’estimació del canal ràdio per una desmodulació de les dades el més eficient possible. En la figura 24 podem observar-ne la inserció en els símbols 4 i 0 (aquest símbol correspon al següent time slot ) i com es van repetint cíclicament en les diverses subportadores (petites línies turquesa).

• El canal de control PDCCH pot ser allotjat en els tres primers símbols de cada slot .

• Els canals PDSCH que contenen les dades útils destinades als terminals LTE es mapegen sobre qualsevol de les subportadores d’ODFMA que no estiguin ocupades ni pels canals de control, ni de sincronització, etc.

Figura 23. Ubicació del PBCH en els símbols OFDM de la trama downlink.

- 133 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Figura 24. Senyals pilot en la trama downlink de LTE.

I.VI. Conclusions

L’anàlisi de la interfície ràdio de les tecnologies mòbils és un dels punts clau que ens permet comprovar les diferències existents entre les diverses generacions de telefonia mòbil. Des de les limitacions evidents pel que fa a l’ample de banda i flexibilitat espectral de GSM fins a la configurabilitat de LTE en l’esquema de modulació.

En les primeres simulacions, realitzades sobre un senyal de referència GSM, hem pogut comprovar el limitat ample de banda utilitzat en la transmissió de dades. Per una conversa de veu es destina un nombre fix de recursos per cada usuari, en el domini freqüència-temps i sigui quina sigui l'ocupació que es faci del canal. En la hipotètica situació que la xarxa hagi d’absorbir un augment en el tràfic de veu, això ha d’anar lligat a un major nombre de recursos (freqüències i time slots ); i el nombre de recursos tenen un cost per l’operador i a més no són il·limitats. Pel que fa a les comunicacions de dades, es treballa normalment en mode GPRS o bé EDGE. En aquesta última, hem vist com, per incrementar la velocitat de descàrrega de dades, es modifica l’esquema de modulació i s’aconsegueix millorar l’eficiència de la interfície ràdio en general.

- 134 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Tot i la millora introduïda per EDGE, l’ample de banda en GSM segueix sent molt limitat i l’evolució cap a 3G queda clarament representat per WCDMA. Aquesta tecnologia revoluciona l’accés per multiplexació en temps i freqüència de GSM, passant a multiplexar els usuaris en el domini del codi com hem vist en la figura 11. L’augment de l’ample de banda, combinat amb les tècniques d’espectre eixamplat o la priorització dels diferents tipus de tràfic han convertit WCDMA en la primera tecnologia mòbil de commutació de paquets. L’evolució de WCDMA i el tràfic que aquesta oferia basat en Release 99 ha donat pas a tècniques avançades com ara HSDPA, HSUPA i HSPA+. Malgrat que la funcionalitat HSPA+ és plenament compatible amb el tràfic Release 99 de WCDMA, hi ha certes funcionalitats millorades en aquesta nova release, la qual utilitza 64 QAM per la modulació de les dades. Això fa que en aquests moments HSPA+ sigui la més evolucionada tècnica existent en 3G i hagi estat adoptada en nombrosos països pels grans operadors.

Però l’evolució de la banda ampla mòbil no s’ha aturat aquí. La següent tecnologia analitzada, LTE, millora encara més les prestacions en la descàrrega de dades permetent velocitats de transmissió més elevades, múltiples configuracions i una eficiència en la utilització dels recursos mai vista abans. L’arquitectura de la xarxa LTE i la seva interfície ràdio han estat optimitzades per la commutació de paquets i les connexion IP extrem a extrem, permetent-se l’utilització de diferents esquemes de modulació en funció de les característiques del canal ràdio. Les propietats de LTE s’optimitzen al màxim a partir de les especificacions definides en LTE Advanced , el qual no està encara disponible pel seu anàlisi al VSA.

D’altra banda, l’anàlisi dels vectors d’error trobats en cadascuna de les tecnologies no permet extreure grans conclusions pel que fa a la fiabilitat dels sistemes analitzats. Tant per GSM com per WCDMA i LTE, els vectors d’error es mouen en valors similars, per bé que en el cas de WCDMA són lleugerament més elevats que en els altres dos casos (EVM equivalent de 1.5%rms davant d’un EVM de 0.8%rms i 0.6%rms per a GSM i LTE respectivament).

L’estudi d’aquest apartat de simulacions s’ha basat en els senyals de referència que el VSA té emmagatzemats en les seves biblioteques de demostracions. Malgrat això, les opcions estàndards de mesura sobre les especificacions són molt grans, particularment per LTE. El software VSA permet diferents modes de desmodulació del senyal i configuracions MIMO 2x2, 4x4, etc. Un estudi acurat d’aquests escenaris dóna una perspectiva de visió dels estàndards diferent, el que permet abordar millor el funcionament de l’accés LTE en vàries configuracions.

Per últim, seria realment interessant realitzar proves de mesura amb equips i sistemes radiants de LTE reals, donat que l’VSA està preparat per la connexió d'hardware i equips de mesura. Per exemple, es podria implementar un sistema format per un eNode B (o bé un dispositiu que emulés les seves funcions), una antena que radiés el senyal (o un grup d’antenes si es vol una configuració tipus MIMO) i un equip terminal. A partir d’aquestes proves es podrien provar les configuracions amb els diferents amples de banda que LTE suporta i verificar les prestacions que s’obtenen en cada cas. A més, serviria de banc de proves per analitzar la interfície ràdio entre l’estació base i el terminal.

- 135 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

II. Annex segon: Especificacions ràdio LTE

El 3GPP ha fet públics nombrosos documents referents a les especificacions de LTE. Una de les parts més interessants en l’estudi de LTE resideix en la capa física o interfície ràdio, la qual queda definida segons el llistat d’especificacions de la figura 1.

És important destacar que totes les especificacions del 3GPP contenen 4 o 5 dígits; els dos primers fan referència a la sèrie mentre que la resta van del 01 al 13 pel cas dels últims dos dígits i del 21 al 55 pel cas de tres dígits.

Així doncs, les referències de la tecnologia ràdio LTE – Evolved UTRA i LTE Advanced tenen la següent traducció pel que fa als estàndards del 3GPP:

Codi Especificació Descripció

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.101 radio transmission and reception

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) TS 36.104 radio transmission and reception

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); FDD repeater radio TS 36.106 transmission and reception

TS 36.111 Location Measurement Unit (LMU) performance specification

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) and TS 36.113 repeater ElectroMagnetic Compatibility (EMC)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Relay radio TS 36.116 transmission and reception

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Relay conformance TS 36.117 testing

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Electromagnetic TS 36.124 compatibility (EMC) requirements for mobile terminals and ancillary equipment

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Requirements for TS 36.133 support of radio resource management

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) TS 36.141 conformance testing

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); FDD repeater TS 36.143 conformance testing

- 136 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Codi Especificació Descripció

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Requirements for TS 36.171 Support of Assisted Global Navigation Satellite System (A-GNSS)

TS 36.201 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE physical layer;

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and TS 36.211 modulation

TS 36.212 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer TS 36.213 procedures

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer; TS 36.214 Measurements

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer for TS 36.216 relaying operation

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal TS 36.300 Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Services provided by TS 36.302 the physical layer

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.304 procedures in idle mode

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Stage 2 TS 36.305 functional specification of User Equipment (UE) positioning in E-UTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.306 radio access capabilities

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Requirements on User TS 36.307 Equipments (UEs) supporting a release-independent frequency band

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Layer 2 - TS 36.314 Measurements

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access TS 36.321 Control (MAC) protocol specification

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Link Control TS 36.322 (RLC) protocol specification

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Packet Data TS 36.323 Convergence Protocol (PDCP) specification

- 137 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Codi Especificació Descripció

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource TS 36.331 Control (RRC); Protocol specification

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE Positioning TS 36.355 Protocol (LPP)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Architecture TS 36.401 description

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 general TS 36.410 aspects and principles

TS 36.411 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 layer 1

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 TS 36.412 signalling transport

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 TS 36.413 Application Protocol (S1AP)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 data TS 36.414 transport

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 general TS 36.420 aspects and principles

TS 36.421 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 layer 1

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 TS 36.422 signalling transport

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 TS 36.423 Application Protocol (X2AP)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 data TS 36.424 transport

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); General TS 36.440 aspects and principles for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Layer 1 for TS 36.441 interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Signalling TS 36.442 Transport for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN

- 138 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Codi Especificació Descripció

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M2 TS 36.443 Application Protocol (M2AP)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M3 TS 36.444 Application Protocol (M3AP)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M1 data TS 36.445 transport

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); M1 User TS 36.446 Plane protocol

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE Positioning TS 36.455 Protocol A (LPPa)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet TS 36.508 Core (EPC); Common test environments for User Equipment (UE) conformance testing

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet TS 36.509 Core (EPC); Special conformance testing functions for User Equipment (UE)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.521-1 conformance specification; Radio transmission and reception; Part 1: Conformance testing

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.521-2 conformance specification; Radio transmission and reception; Part 2: Implementation Conformance Statement (ICS)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.521-3 conformance specification; Radio transmission and reception; Part 3: Radio Resource Management (RRM) conformance testing

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet TS 36.523-1 Core (EPC); User Equipment (UE) conformance specification; Part 1: Protocol conformance specification

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet TS 36.523-2 Core (EPC); User Equipment (UE) conformance specification; Part 2: Implementation Conformance Statement (ICS) proforma specification

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet TS 36.523-3 Core (EPC); User Equipment (UE) conformance specification; Part 3: Test suites

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.571-1 conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 1: Minimum Performance conformance

- 139 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Codi Especificació Descripció

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.571-2 conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 2: Protocol conformance

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.571-3 conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 3: ICS

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.571-4 conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 4: Test suites

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TS 36.571-5 conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 5:UE positioning test scenarios and assistance data

Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Evolved Universal Terrestrial TR 36.800 Radio Access (E-UTRA); Extended UMTS / LTE 800 Work Item Technical Report

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Measurement TR 36.801 Requirements

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TR 36.803 radio transmission and reception

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) TR 36.804 radio transmission and reception

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Study on minimization TR 36.805 of drive-tests in next generation networks

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Relay architectures for TR 36.806 E-UTRA (LTE-Advanced)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) TR 36.807 radio transmission and reception

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Carrier Aggregation TR 36.808 Base Station (BS) radio transmission and reception

Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Evolved Universal Terrestrial TR 36.810 Radio Access (E-UTRA); UMTS / LTE in 800 MHz for Europe

TR 36.811 LTE in 2 GHz Technical Report

TR 36.812 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);

TR 36.813 LTE L-Band Technical Report

TR 36.814 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Further advancements

- 140 - LTE i les noves tecnologies d'accés a banda ampla mòbil Jordi Jofre Lopez

Codi Especificació Descripció

Further Advancements for E-UTRA; LTE-Advanced feasibility studies in RAN TR 36.815 WG4

TR 36.816 Signalling and procedure for in-device coexistence interference avoidance

Uplink Multiple Antenna Transmission; Base Station (BS) radio transmission TR 36.817 and reception

TR 36.821 Extended UMTS/LTE 1500 work item technical report

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Relay radio TR 36.826 transmission and reception

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Self- TR 36.902 configuring and self-optimizing network (SON) use cases and solutions

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Derivation of test TR 36.903 tolerances for multi-cell Radio Resource Management (RRM) conformance tests

TR 36.912 Feasibility study for Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced)

Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial TR 36.913 Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced)

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); FDD Home eNode B TR 36.921 (HeNB) Radio Frequency requirements analysis

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); TDD Home eNode B TR 36.922 (HeNB) Radio Frequency (RF) requirements analysis

TR 36.927 Potential solutions for energy saving for E-UTRAN

TR 36.931 RF requirements for LTE Pico NodeB

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Improved TR 36.938 network controlled mobility between E-UTRAN and 3GPP2/mobile WiMAX radio technologies

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Frequency (RF) TR 36.942 system scenarios

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Repeater planning TR 36.956 guidelines and system analysis

Figura 1. Especificacions ràdio de LTE del 3GPP.

- 141 -