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Maestría en Redes de Comunicaciones - PUCE
Sistemas de Telecomunicaciones Integrantes:
Carlos Aguilar
Catalina Cobos
Juan Morales Avila
Jose Angel Ordóñez
LTE (Long Term Evolution)
LTE (LONG TERM EVOLUTION) Maestría en Redes de Comunicaciones - PUCE
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Sistemas de Telecomunicaciones
LTE (Long Term Evolution)
1. OBJETIVO GENERAL
Investigar y analizar la tecnología LTE (Long Term Evolution) para obtener una visión
global de su funcionamiento, sus ventajas y desventajas.
2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar las tecnologías predecesoras de LTE.
Describir las características, arquitectura y técnicas de acceso utilizadas por LTE.
Conocer las aplicaciones y servicios que ofrece LTE.
Conocer la situación actual de LTE con respecto a las operadoras de telefonía
móvil.
3. INTRODUCCIÓN
Durante los últimos 20 años aproximadamente, las comunicaciones móviles han
evolucionado significativamente partiendo desde el sistema global para comunicaciones
móviles (GSM) hasta la tecnología (LTE) long term evolution en la actualidad.
La evolución de los medios cableados que ofrecen grandes tasas de transferencia de
datos, los requerimientos de mayor capacidad en redes inalámbricas, la necesidad de
reducir costos, han sido motivos para que el Proyecto Asociación de Tercera Generación
3GPP por sus siglas en inglés, iniciara en el año 2004 con la definición de objetivos de la
tecnología LTE, para luego en 2006 estandarizarla y en 2009 comenzar su despliegue.
De manera general con LTE se pretende proporcionar una tecnología de acceso por radio
de alto rendimiento, que ofrezca movilidad a grandes velocidades y que pueda coexistir
con tecnologías anteriores. Además sus principales objetivos están enfocados en mejorar
el rendimiento de la red para los usuarios, reducir latencia y utilizar de mejor manera el
espectro, lo que puede ser aprovechado por las operadoras para mejorar sus servicios.
Según la GSA o asociación global de proveedores de operadores móviles en su reporte
de agosto del 2013, indica que existen 202 redes LTE lanzadas comercialmente en 77
países, así como un total 1064 dispositivos de usuario final capaces de operar con esta
tecnología. En la siguiente gráfica se puede ver el crecimiento en cuanto a la existencia
de dispositivos LTE:
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Fig.1 Crecimiento LTE
Así mismo GSA señala que en el último año se han anunciado 647 dispositivos LTE
nuevos, siendo los Smartphone los dispositivos con mayor oferta:
Fig.2 Distribución de terminales LTE
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4. HISTORIA y EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS MÓVILES
La necesidad de comunicarse ha impulsado al desarrollo de varias tecnologías a lo largo
del tiempo, cada una con sus ventajas y desventajas, en la siguiente tabla se puede
apreciar las distintas generaciones que han marcado la historia de las comunicaciones
móviles:
GENERACIÖN HITOS IMPORTANTES
1G
Conocida como primera generación de telefonía móvil.
Se desarrolla en los años 80.
Los teléfonos utilizaban tecnología analógica.
Estándares utilizados:
◦ NMT (Nordic Mobile Telephone) en Europa
◦ AMPS (Advanced Mobile Phone System) en Estados Unidos
◦ TACS (Total Access Communications System) en Reino
Unido
◦ Otros: C-450, Radiocom 2000, RTMI, TZ-801, TZ-802, TZ-
803
Brindaba velocidades entre 28kbps y 56kbps
2G
Segunda generación de telefonía móvil.
Introducido en la década de los 90.
En esta generación ya se utilizó tecnología digital.
Integra nuevos servicios como: envío de mensajes de texto
SMS, encriptación de mensajes
Tecnologías utilizadas:
◦ GSM (Global System for Mobile Communications)
◦ TDMA (Time Division Multiple Access)
◦ CDMA one (Code Division Multiple Access)
◦ D-AMPS (Digital Advance Mobile Phone System
◦ PHS (Personal Handyphon System)
Se habla de telefonía 2.5G o 2.75G, esto simplemente es
utilizado para denominar a algunos teléfonos móviles 2G que
incorporan algunas mejoras del estándar 3G como GPRS y
EDGE en redes 2G.
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3G
Tercera generación, transmisión de voz y datos a través de la
telefonía movil.
Desplegado a partir del año 2000 aproximadamente.
Agrega la posibilidad de realizar videollamadas, descarga de
programas, correo electrónico y mensajería instantánea.
Tecnologías utilizadas:
◦ EDGE (Enhanced data rates for GSM Evolution)
◦ UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems)
◦ CDMA2000 ( Code Division Multiple Access)
◦ HSPA (High Speed Packet Access)
Ofrece mayor seguridad en comparación con sus predecesoras.
Soporta el protocolo IP y velocidades de transmisión de 2Mbps
aproximadamente.
Su cobertura es limita, lo que puede ocasionar disminución en la
velocidad de transmisión.
Ampliamente utilizado en TV móvil, video conferencia,
telemedicina y GPS.
4G
Cuarta generación de telefonía móvil.
Su desarrollo inicia en el año 2004.
Completamente basada en el protocolo IP.
Sus servicios están enfocados en acceso móvil a la web,
telefonía IP, juegos, TV móvil en HD, video conferencia,
televisión 3D y cloud computing.
Tecnologías utilizadas:
◦ HSPA+ (Envolved High Speed Packet Access) HSPA
Evolucionado
◦ LTE (Long Term Evolution)
◦ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
Provee velocidades mayores a 100Mbps en movimiento y
1Gbps en reposo.
5G
Quinta generación, no definida y no oficial.
5G es utilizada en algunos proyectos de investigación
orientados a mejorar la actual 4G.
Se prevé que las tecnologías 5G remplazaran a 4G en el año
2020.
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A medida que las comunicaciones móviles han ido evolucionando de generación en
generación se han desarrollado varias tecnologías que en su momento sirvieron para
brindar conectividad móvil y ofrecer varios servicios de acuerdo a las capacidades y
limitaciones de cada tecnología; estas tecnologías están enmarcadas dentro de lo que se
conoce como tecnologías de la familia 3GPP.
3GPP (3rd Generation Partnership Project) que es un acuerdo de colaboración entre
varios organismos de estandarización, tiene como objetivo regular el desarrollo de
especificaciones técnicas para las comunicaciones móviles, en este sentido se han
desarrollado varias tecnologías que tuvieron lugar en cada una de las generaciones de
telefonía móvil antes mencionadas.
En la siguiente figura se puede observar la evolución cronológica de las tecnologías de
telefonía móvil:
Fig.3 Evolución de las tecnologías móviles
4.1. GSM (Global System for Mobile Communications)
Es una tecnología que por sus características es ampliamente utilizada por las operadoras
y sus clientes. Algunas de las características de GSM:
Calidad de voz, lo que significa una alternativa viable a la telefonía fija.
Roaming internacional, disponible en más de 219 países, permitiendo a los
usuarios viajar fuera de su país con sus dispositivos GSM conservando su número
telefónico.
Flexibilidad espectral, con la infraestructura de red y los dispositivos de usuario
disponibles en varias bandas, incrementa la capacidad de cobertura para los
usuarios.
Soporte para datos, incluye SMS y navegación WEB.
Variedad de productos, su popularidad a nivel mundial hace que sea un negocio
atractivo para fabricantes de dispositivos y desarrolladores de aplicaciones. Como
resultado los usuarios pueden disfrutar de una variedad de productos, ya sean
dispositivos o servicios de voz y datos.
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De manera general GSM es la base para el desarrollo de tecnologías 3G como GPRS,
EDGE, UMTS y HSPA, así como de tecnologías 4G como HSPA+, LTE y LTE-Advanced,
en el proceso de migración hacia cada tecnología se aprovecha la infraestructura
desarrollada en GSM guardando sus características, permitiendo compatibilidad de tal
manera que dispositivos de nuevas tecnologías puedan soportar servicios de tecnologías
anteriores.
4.2. GPRS (General Packet Radio Service)
Es una tecnología orientada a paquetes de datos, que permite a las operadoras brindar
servicios de datos como correo electrónico y acceso a Internet, es comúnmente conocida
como 2.5G ya que significa el primer paso de un operador GSM para migrar a 3G.
Algunas características de GPRS:
Aunque es una tecnología orientada a datos, ayuda a mejorar la transmisión de
voz. Mediante el uso de codificadores de voz se puede convertir la voz en señales
digitales, permitiendo además el manejo de llamadas simultáneas; lo que da como
resultado que las operadoras puedan enviar tráfico de voz sin la necesidad de
utilizar bandas adicionales.
Soporta velocidades máximas de descarga de hasta 115kbps, con velocidades
promedio de 40Kbps a 50kbps, siendo lo suficientemente rápido para el servicio de
mensajería multimedia y navegación web (similar a una conexión mediante acceso
telefónico por modem).
Al igual que GSM soporta roaming internacional.
Se basa en el protocolo IP, lo que posibilita acceso inalámbrico a otras redes
basadas en IP.
De igual forma que GSM, GPRS sirve como base para la migración hacia 3G.
4.3. EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)
Es una tecnología de tercera generación que permite altas velocidades de transmisión de
datos. Algunas características:
Soporta velocidades máximas de descarga de hasta 474kbps, con velocidades
promedio de 70Kbps a 130kbps.
La adopción de EDGE generalmente requiere software y tarjetas adicionales a la
infraestructura GSM/GPRS existente.
No requiere que la operadoras adquieran nuevas bandas para operar, lo que
permite desplegar servicios 3G rápidamente a bajos costos.
La mayoría de operadoras HSPA también ofrecen EDGE, sobre todo en zonas
rurales que aún no es factible o rentable llegar con HSPA, permitiendo a los
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usuarios mantener el beneficio de acceso a datos.
A medida que EDGE ha ido evolucionando, en cada versión se ha procurado
reducir la latencia que inicialmente eran de 500ms a 600ms hasta los 300ms.
Dentro de esta tecnología también se habla de EDGE Evolution, también llamada
Envolved EDGE o simplemente EDGE II, que es una versión actualizada de EDGE que
aplica muchas de las técnicas utilizadas en HSPA para reducir la latencia e incrementar la
velocidad de EDGE. Algunas características de EDGE evolution:
Incremento dramático de velocidad de transferencia con respecto a EDGE, se
estima un 200 a 300 por ciento.
Eficiente uso del espectro, 50 % más que EDGE.
Reduce latencias, permitiendo mejor la calidad de servicio en las comunicaciones.
4.4. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Conocida también como WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), es una
tecnología de tercera generación que proporciona voz y datos de alta velocidad y es parte
de la ITU (International Telecommunication Union's). Algunas características:
Utiliza CDMA de banda ancha, por tal motivo se utiliza los términos UMTS y
WCDMA indistintamente.
Está basada en el protocolo IP y alcanza velocidades máximas de 350kbps.
Con la integración de HSPA para los servicios de paquetes de datos de alta
velocidad, UMTS-HSPA se ha convertido en la red de banda ancha móvil
dominante.
Ofrece alta eficiencia espectral para voz y datos, y transmisión simultánea de voz y
datos.
Soporte de altas densidades de usuarios con costos bajos de infraestructura.
Soporte para aplicaciones que requieren gran ancho de banda.
UMTS opera en una variedad de bandas, ofreciendo flexibilidad para el uso de las
bandas 450, 700, 850, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 y 2600Mhz.
Las operadoras UMTS pueden usar una red común que soporte redes de múltiple
acceso por radio, incluyendo GSM, EDGE, WCDMA, HSPA. Esta red se denomina
UMTS multi-radio la misma que ofrece flexibilidad para la prestación de diferentes
servicios aprovechando la cobertura total.
En teoría la máxima velocidad de transferencia es de 2Mbps.
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Fig.4 Arquitectura Común Tecnologías Móviles
4.5. HSPA (High Speed Packet Access)
Es la tecnología de banda ancha móvil más utilizada, que combina tecnologías
posteriores y complementarias a 3G tales como 3.5G o HSDPA (High Speed Downlink
Packet Access) y 3.5G plus o HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Algunas
características:
4.5.1. HSDPA
◦ Es una actualización de UMTS/WCDMA y se ha convertido en el estándar de
comunicaciones móviles líder a nivel mundial.
◦ Aumenta las velocidades de descarga 3,5 veces que UMTS.
◦ Ampliamente utilizado para transferencia de archivos de gran tamaño,
streaming y navegación web a altas velocidades.
◦ Ofrece latencias entre 70ms y 100ms, lo que lo hace ideal para aplicaciones de
tiempo real como juegos interactivos, aplicaciones empresariales sensibles al
retardo, conexiones VPN.
◦ Mejora significativamente el rendimiento de UMTS, a través de técnicas como
HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request)
◦ Por lo general sólo requiere software y tarjetas adicionales, en lugar de
necesitar remplazar la infraestructura ya adquirida para UMTS.
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4.5.2. HSUPA
◦ Es una actualización de UMTS-/HSDPA que utiliza E-DCH (Enhanced
Dedicated Channel) o canal dedicado mejorado, para incluir mejoras.
◦ Las mejoras incluyen mayor rendimiento, menor latencia y eficiencia espectral.
◦ Mejora la velocidad de HSDPA de 384Kbps a una velocidad máxima de
5,8Mbps
HSPA es compatible con UMTS, EDGE y GPRS, lo que beneficia a usuarios que viajan a
zonas donde no es factible o rentable llegar con HSPA. Además beneficia a las
operadoras y desarrolladores de aplicaciones, ya que las aplicaciones diseñadas para
UMTS también funcionan en la red HSPA.
4.6. HSPA+ (High Speed Packet Access Plus)
También conocida como HSPA Evolution, utiliza algunas técnicas empleadas en LTE
(Long Term Evolution), algunas características:
Es una actualización de HSPA , incrementa su capacidad reduciendo la latencia a
50ms.
Podría igualar e incluso superar las capacidades de rendimiento de WiMAX móvil.
Combina MIMO (Multiple Input Multiple Output) y modulación 64QAM, para ofrecer
velocidades desde 28Mbps hasta 42Mbps.
Soporte para movilidad total, ofreciendo roaming internacional para voz y datos.
En la siguiente gráfica se puede apreciar la adopción de las diferentes tecnologías a lo
largo del tiempo:
Fig.5 Adopción tecnologías móviles
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En la siguiente gráfica se resume la velocidad ofrecida por las distintas tecnologías, así
como las frecuencias utilizadas:
Fig.6 Características de las tecnologías móviles
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En la siguiente gráfica se puede apreciar la latencia introducida por cada tecnología, a
medida que evoluciona la tecnología se logra reducir los tiempos de latencia.
Fig.7 Latencia en las tecnologías móviles
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5. LTE (LONG TERM EVOLUTION)
SISTEMAS MÓVILES DE CUARTA GENERACIÓN
La convergencia de redes y servicios, ha promovido que los usuarios puedan acceder a
varios servicios a través de una misma red. Es así que hoy en día, a través de un terminal
móvil, se puede acceder a servicios, tales como: llamadas de voz, servicios de correo,
servicios multimedia, navegación web, GPS, video conferencias, acceso a redes sociales
y entre otras; esto ha desembocado en la imperiosa necesidad de tener sistemas más
robustos, con mayores velocidades de trasmisión y con calidad de servicios. La tercera
generación de telefonía móvil, ha permitido estándares con velocidades de hasta 42 Mbps
para el enlace de bajada y 11 Mbps para el enlace de subida (Release 5, 6 y 7 de la 3GPP
- 3rd Generation Partnership Project), satisfaciendo de alguna manera la eficiencia en la
trasmisión de paquetes de datos. Sin embargo, el ámbito tecnológico, exige mejoras a la
prestación de servicios, es así que la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU), ha
establecido los requisitos necesarios para la cuarta generación de telefonía móvil, entre
los más representativos están: redes basadas totalmente en conmutación de paquetes y
transporte IP, tasas de trasmisión de 100Mbps para usuarios en movimiento y de 1Gbps
para usuarios fijos, anchos de banda escalables entre 5 y 20 MHz con opción de hasta 40
MHz y una mayor cantidad de usuarios por celdas. El camino evolutivo, desde la tercera
generación (3G) de telefonía móvil a la cuarta generación (4G), ha traído a la luz, la
tecnología LTE (Long Term Evolution), como un nuevo estándar para la telefonía
celulares, emitido por la 3GPP como parte del release 8. Si bien es cierto, éste estándar
no cumple con los requerimientos para la cuarta generación de telefonía móvil, presenta
una mejora muy notable, respecto a los estándares celulares de 3G (UMTS) y 3.5G
(HSDPA y HSUPA). LTE, junto con HSPA+, son consideradas tecnologías de la
generación 3.9G, próximas a la 4G. LTE permite tasas de transmisión pico en bajada,
entre 100 y 300 Mbps; y velocidades de subida de 75 Mbps. Cabe señalar, que LTE,
vendría a constituirse en el primer sistema “All IP”, que permita ofrecer servicios de voz,
basado completamente en conmutación de paquetes.
Una de las características importantes de LTE, es permitir la coexistencia e
interoperabilidad con las generaciones móviles predecesoras, garantizando de esta
manera la escalabilidad tecnológica.
6. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS LTE
El “Proyecto Asociación de Tercera Generación” o más conocido por el acrónimo inglés
3GPP, es una asociaciones de grupos de telecomunicaciones, cuyo objetivo principal, fue
asentar las especificaciones para un sistema global de comunicaciones de segunda
generación 2G para móviles, basándose en las especificaciones del proyecto
internacional de telecomunicaciones móviles 2000 propuesto por la ITU. Posteriormente,
este objetivo se amplió para cumplir con los requerimientos de la tercera y cuarta
generación de telefonía móvil. La 3GPP, según la evolución de las tecnologías, ha
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estructurado sus estándares como releases o versiones. LTE, es un estándar del release
8 de la 3GPP, cuyas características funcionales le han dado la connotación de tecnología
casi 4G. Dentro de las características más representativas de esta tecnología están:
6.1. Modos de operación
El interface de radio LTE, ha sido diseñado para operar tanto con bandas pareadas (FDD)
como con no pareadas (TDD). En el modo de operación FDD, el transmisor y el receptor
operan con diferentes frecuencias de portadora, para el enlace ascendente y
descendente, lo suficientemente separadas para que no interfieran. En cambio, en el
modo de operación TDD, la transmisión de enlace ascendente y descendente ocurren en
diferentes intervalos de tiempo que no se solapan entre sí, para este caso el enlace
ascendente y descendente, utilizan las mismas frecuencias de portadora. Estos modo de
operación, permiten una flexibilización en el uso del espectro, haciendo que su gestión
sea más eficiente. El estándar define hasta 40 posibles bandas de operación trabajando
bien en modo FDD o en TDD.
6.2. Modos de Acceso
La tecnología LTE emplea un tipo de acceso denominado OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), donde en lugar de enviar la información en una sola portadora, esta
se transmite en múltiples portadoras. El proceso que realiza OFDM, es pasar un bloque
del flujo de la información de un formato serial a uno paralelo, después cada elemento es
modulado en una portadora ortogonal, lo cual permite que no se presente interferencia
entre ellas, estas portadoras ortogonales son conocidas como Sub-Portadoras. Estas
técnicas, empleadas en LTE, ayudan a minimizar el efecto de las múltiples trayectorias en
el momento de la recepción, de esta forma se tiene mayor confiabilidad en el sistema de
comunicación.
LTE utiliza la técnica de acceso OFDM para el enlace descendente, lo cual le da a la
transmisión robustez frente a interferencia y SC-FDMA para la trasmisión del enlace de
ascendente, con lo que incrementar la eficiencia en la amplificación de potencia para la
trasmisión.
Fig.8 Modo de Acceso OFDM
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6.3. Ancho de banda
El sistema LTE se caracteriza por ofrecer un ancho de banda flexible, que permite
alcanzar altas velocidades de transmisión. En este sentido, los posibles anchos de banda
contemplados para LTE son: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz y 20 MHz, siendo ésta
última la considerada para alcanzar velocidades de transmisión en el orden de 100 Mbps
para el enlace descendente.
En LTE, la mínima estructura de modulación o el elemento base se llama “Resource
Element – RE” que es formado por un símbolo (conjunto de bits) y una sub-portadora,
estos a su vez se agrupan en un bloque de 6 o 7 símbolos por 12 Sub-portadoras para
formar un “Resource Block – RB”, el cual se constituye en el mínimo elemento de
información que puede ser asignado por el nodo a un terminal móvil. Cada RB “Resource
Block”, tiene un ancho de banda definido y la agrupación de RB proporcionan un ancho de
banda total para esta tecnología. Un RE es una subportadora de 15 kHz por cada
símbolo, por lo tanto el ancho de banda de una RB es 15KHz por 12 subportadoras, lo
que da un ancho de banda total de 180KHz para cada RB.
Fig.9 Mínima estructura LTE
En LTE, los anchos de banda nominales están relacionados con el número de RB
(Resource Block) y el número de portadoras.
Fig.10 Anchos de banda LTE
6.4. Esquemas de modulación
Una forma directa para ofrecer altas velocidades de transmisión de datos dentro de un
determinado ancho de banda, es el uso de modulaciones más robustas y de orden
superior. Los posibles esquemas de modulación para LTE son: QPSK, 16QAM y 64QAM
para el enlace descendente (DL); y para el enlace ascendente (UL), QPSK y 16 QAM.
Opcionalmente se contempla la posibilidad de incluir 64 QAM en el enlace ascendente en
función de las capacidades de los terminales móviles.
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6.5. Tecnologías MINO
Las técnicas multi-antena es fundamental para la tecnología LTE, esto se refiere en
general, a las estructuras de transmisión y/o recepción que utilizan diversas antenas de
los terminales móviles, acompañadas de técnicas de procesado de señal con distintos
niveles de complejidad. Para el caso de LTE, las técnicas utilizadas son:
Para el enlace descendente: Tx diversity, Rx diversity y Single-User MIMO (up to
4x4)
Para el enlace ascendente: Multi-User MIMO
Fig.11 Tecnologías de acceso MIMO
6.6. Tasa de trasmisión Pico
El ancho de banda del canal, está directamente relacionada con la velocidad de
transmisión alcanzable, de manera que para alcanzar mayores velocidades de
transmisión se requiere aumentar el ancho de banda.
En el caso de LTE, se pueden alcanzar velocidades de transmisión en el orden de 100 a
300 Mbits/s en el enlace descendente, si se considera un ancho de banda de 20 MHz y el
uso de antenas MIMO 4x4. Para el enlace ascendente, considerando modulación 64QAM,
se pueden alcanzar velocidades teóricas de hasta 86 Mbps en el UL.
Básicamente se tienen los siguientes valores para las tasas de trasmisión:
Downlink: 150 Mbps (2x2 MIMO, 20 MHz, 64QAM);
300 Mbps (4x4 MIMO, 20 MHz, 64QAM)
Upliknk: 75 Mbps @ 20 MHz BW, 64QAM
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6.7. Tipos de servicio
LTE, es una red de conmutación de paquetes, que funciona bajo el concepto de “All IP”,
por lo cual, es posible trasmitir todo tipo de tráfico por medio de esta red. Tiene
compatibilidad con los servicios de voz y datos. Sin embargo, la voz debe ser trasmitida
mediante protocolo SIP (VoIP).
6.8. Bandas de Frecuencia
A continuación se presenta un resumen de las bandas de frecuencia definidas para el
despliegue de LTE.
Banda
Banda para enlace
ascendente (Uplink)
Banda para enlace
descendente (Downlink)
Tipo de
Duplexado
1 1920MHz–1980MHz 2110MHz–2170MHz FDD
2 1850MHz–1910MHz 1930MHz–1990MHz FDD
3 1710MHz–1785MHz 1805MHz–1880MHz FDD
4 1710MHz–1755MHz 2110MHz–2155MHz FDD
5 824MHz–849MHz 869MHz–894MHz FDD
6 830MHz–840MHz 875MHz–885MHz FDD
7 2500MHz–2570MHz 2620MHz–2690MHz FDD
8 880MHz–915MHz 925MHz–960MHz FDD
9 1749.9MHz–1784.9MHz 1844.9MHz–1879.9MHz FDD
10 1710MHz–1770MHz 2110MHz–2170MHz FDD
11 1427.9MHz–1452.9MHz 1475.9MHz–1500.9MHz FDD
12 698MHz–716MHz 728MHz–746MHz FDD
13 777MHz–787MHz 746MHz–756MHz FDD
14 788MHz–798MHz 758MHz–768MHz FDD
15 1900MHz-1920MHz 2600MHz-2620MHz FDD
16 2010MHz-2025MHz 2585MHz-2600MHz FDD
17 704MHz–716MHz 734MHz–746MHz FDD
24 1626.5MHz-1660.5 MHz 1525MHz-1559MHz FDD
30 2305MHz - 2315MHz 2350 MHz- 2360MHz FDD
33 1900MHz–1920MHz 1900MHz–1920MHz TDD
34 2010MHz–2025MHz 2010MHz–2025MHz TDD
35 1850MHz–1910MHz 1850MHz–1910MHz TDD
36 1930MHz–1990MHz 1930MHz–1990MHz TDD
37 1910MHz–1930MHz 1910MHz–1930MHz TDD
38 2570MHz–2620MHz 2570MHz–2620MHz TDD
39 1880MHz–1920MHz 1880MHz–1920MHz TDD
40 2300MHz–2400MHz 2300MHz–2400MHz TDD
Fig.12 Bandas de frecuencia
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La separación entre las bandas para Uplink y Downlink va de 10 MHz a 680 MHz.
En las bandas 13, 14, 30 y 24 están invertidas en el Downlink y Uplink.
Las bandas 15 y 16 son especificadas por la ETSI para solo ser usadas en
Europa.
7. ARQUITECTURA DE RED GENÉRICA.
Fig.13 Arquitectura de red móvil genérica
7.1. Terminal de Usuario
Lo conforman todo dispositivo que permita al usuario, acceder a los servicios de la
red móvil. El equipo de usuario puede incluir una tarjeta inteligente que contenga
la información necesaria para permitir el registro del equipo en dicha red.
7.2. Red de Acceso de radio
Básicamente, funciona como el interface de comunicación entre el terminal de
usuario y la red troncal de servicios. Esta etapa de la red móvil, proporciona los
servicios para transportar la información generada por los terminales de usuario,
ya sean estos datos, voz o señalización, hacia o desde la red troncal. La red de
acceso de radio, es la encargada de gestionar los recursos del espectro
radioeléctrico de una manera eficiente.
La red de acceso está constituida, por estaciones base, nodos y equipos
controladores de estación base, esto dependiendo de la tecnología móvil utilizada;
en 2G se utilizan las BTS (Estación Base) y BCS (Controlador de estación base);
en 3G, nodo B y RNC (Controlador de la red de radio); y en 4G, los eNodoB.
7.3. Red troncal
Es la parte del sistema encargada del procesamiento de la información transmitida
desde lo terminales de usuario, de la gestiones de movilidad, de la gestión de
sesiones de datos y de la administración de circuitos utilizados para transportan la
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información; además provee los mecanismos de interconexión con otras redes. En
esta etapa se analiza el perfil del usuario, en función del cual, se proporciona los
servicios contratados (telefonía, datos, SMS, MMS, video conferencia etc). Esta
entidad de red, permiten también funciones de conmutación, enrutamiento,
almacenamiento de la información, registro de terminal de usuario, autenticación y
control de acceso a la red celular. Los equipos utilizados y su denominación,
varían en función de la tecnología celular utilizada; 2G-Circuit Switched Core, 3G-
Packet Switched Core y 4G-Envolved Packet Core.
8. ARQUITECTURA DE RED LTE
La arquitectura del sistema LTE se diseñó en base a tres requisitos fundamentales:
conmutación de paquetes, baja latencia y costos reducidos. Para lograr los objetivos, se
planteó una arquitectura con la menor cantidad de nodos e interfaces posibles para su
funcionamiento.
Fig.14 Arquitectura LTE
8.1. Terminal de Usuario
En LTE se han definido categorías para los terminales de usuario (Celulares o Smart
Phone o Data Card) los cuales están relacionados con la tasa de transmisión del
DownLink (DL) y UpLink (UL), así como los esquemas de modulación que puede soportar
cada categoría.
Fig. 15 Categorías terminales móviles LTE
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8.2. EUTRAN
La red de acceso de LTE está formada por un único elemento de red llamado eNodoB
(nodo B evolucionado) que constituye la estación base de EUTRAN
Los eNodosB integran todas las funciones de la red de acceso, que eran llevadas a cabo
por las estaciones base (BTS), controladores de estación base (BSS), NodoB y
Controlador de la red de radio (RNC), en los sistemas móviles 2G y 3G. En este sentido,
las funciones que realizan los eNodoB incluyen:
Gestión de recursos radio,
Control de admisión de radio,
Control de la movilidad,
Trasferencia de paquetes,
Asignación dinámica de los recursos tanto en uplink como en downlink,
Seguridad en la interfaz radio, y
Conectividad con la red troncal EPC
8.3. EPC (Evolución del Core de Paquetes)
El diseño de la red troncal EPC ha sido concebido principalmente para proporcionar un
servicio de conectividad IP, para permitir el acceso a las distintas redes externas y
plataformas de servicios, mediante una arquitectura de red optimizada que permite
explotar las nuevas capacidades que ofrece la red de acceso EUTRAN.
Los elementos principales del EPC son: el MME (Mobility Management Entity), el S-GW
(Serving Gateway) y el P-GW (Packet Data Network Gateway), pero además de estas
entidades se encuentran también el HSS (Home Subscriber Server) y el PCRF (Policy
Control and Charging Rules Función); juntas constituyen los elementos básicos para la
provisión de servicios al usuario y para la provisión de conectividad entre los terminales y
la interconexión con otras redes.
8.3.1. MME (Mobility Management Entity)
Se encarga de las funciones de establecimiento, mantenimiento y liberación de los
servicios de radio portadora (Bearers), así como el establecimiento de la conexión y la
seguridad entre la red y el terminal de usuario (UE). Además provee las funciones de:
Gestión de movilidad
Autenticación y control de acceso
Control de sesiones
Ubicación de los terminales UE en la red
Selección de los S-GW/P-GW
Señalización de nodos Inter Core para movilidad entre LTE y 2G/3G
Encriptación
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8.3.2. S-GW (Serving Gateway)
Se encarga de las funciones de:
Punto de anclaje local para la gestión de movilidad entre LTE y redes 3GPP (inter-
eNB e inter-3GPP)
Almacenamiento de datos de usuarios que se hayan registrado en la red.
Enrutamiento y redirección de paquetes enviados desde el terminal de usuario.
8.3.3. P-GW (Packet Data Network Gateway)
La entidad P-GW, se encarga de la asignación de direcciones IP a los terminales de
usuario y de los mecanismos de control de los parámetros de calidad de servicio para las
sesiones de datos establecidas a través de la red LTE.
Además, provee la conectividad hacia las plataformas de servicio multimedia y del acceso
a otras redes, como por ejemplo al Internet.
8.3.4. HSS (Home Subscriber Server)
Es la base de datos principal del sistema, que contiene la información de los subscriptores
aprovisionados, autenticados y autorizados al servicio. Además, proporciona la
administración de los perfiles de QoS (Quality of Service), roaming, enrutamiento entre
múltiples HSS´s, aprovisionamiento de servicios y de la dinámica del usuario.
8.3.5. PCRF (Policy Control and Charging Rules Function)
Se encarga de controlar los servicios portadores que ofrece la red LTE y de los
mecanismos de tarificación; básicamente realiza las siguientes funciones:
El Control de los flujos y políticas de servicio
Gestión de política
Gestión de recursos
Política de gestión de cuotas (MB contratados)
Flujos de datos en función de las políticas establecidas
La autorización de los recursos QoS.
Tarificación de servicios.
El diseño de la arquitectura LTE, ha sido pensado con el propósito de permitir la inter-
operación de la red LTE con red 2G y 3G, como parte inherente de la propia evolución de
los sistemas de comunicaciones móviles.
A continuación se muestra de manera general, la interoperación entre las arquitecturas de
red móvil.
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Fig. 16 Interoperación Arquitecturas moviles
9. EQUIPOS DE RED LTE
A nivel mundial muchos proveedores de servicios han desarrollado equipos para el core
de red LTE. A continuación se hará mención de algunos proveedores de servicios de
telecomunicación y de sus productos disponibles para la red LTE:
9.1. Cisco
Con su plataforma “Cisco ASR 5000”, proporciona dentro de la red LTE, los servicios de:
Mobility Management Entity (MME), Serving Gateway (SGW) y PDN Gateway (PGW).
9.2. Alcatel-Lucent
Cuenta con varios productos que constituyen la red troncal de LTE, entre los cuales están:
Para las funciones de la MME (Mobility Management Entity), el Alcatel-Lucent
9471
Para las funciones de S-GW (Serving Gateway) y P-GW (Packet Data Network
Gateway), el Alcatel-Lucent 7750 SR
Para el HSS (Home Subscriber Server), el Alcatel-Lucent 8650
PCRF (Policy Control and Charging Rules Function), el Alcatel-Lucent 5780 DSC
Todas estos equipo pueden ser gestionados a través de la plataforma “5620 SAM”,
propia de Alcatel.
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9.3. Huawei
De la misma manera que la empresa Alcatel, Huawei cuenta con productos individuales
para cada las diferentes entidades de la red LTE:
Para la funciones de eNodoB, por ejemplo: DBS3900 y BBU3900
Para las funciones de la MME (Mobility Management Entity), el Huawei USN9810
Para las funciones de S-GW (Serving Gateway) y P-GW (Packet Data Network
Gateway), el Huawei UGW9811
Para el HSS (Home Subscriber Server), el Huawei HSS9820
PCRF (Policy Control and Charging Rules Function), el Huawei RM9000
10. VENTAJAS SOBRE 2G Y 3G
En comparación con las tecnologías 2G y 3G, LTE permite una mayor velocidad de
trasmisión, muy superiores a las permitidas en las tecnologías ya mencionadas; esto
permite al usuario, el uso de aplicaciones más robusta y que demanda mayores anchos
de banda, por ejemplo video streaming HD.
LTE, a diferencia de las tecnologías predecesoras, utiliza de manera flexible y eficiente el
espectro radio eléctrico.
LTE permite un ancho de banda variable, simplificando de esta manera el proceso de
reasignación de espectro a LTE
LTE es totalmente compatible en sentido inverso con las tecnologías de generación 2G
(GSM/GPRS/EDGE) y de 3G (UMTS/WCDMA, HSDPA, HSUPA y HSPA+.
LTE, es un tecnología desarrollada enteramente para la computación de paquetes, y es
considerada como una red “All IP”, ello conlleva a que él procesamiento de la información,
presente menos latencia en comparación con sus predecesoras
A diferencia de las generaciones 2G y 3G, en LTE, la red de acceso está constituida por
un único elemento de red, el eNodoB. Reduciendo de esta manera el número de punto de
falla en la red de acceso.
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11. TECNOLOGÍA DE ACCESO
Las nuevas tecnologías empleadas para el sistema LTE tanto en el enlace ascendente
como descendente, constituyen las principales diferencias con sistemas anteriores de
comunicaciones móviles, alcanzando niveles superiores de capacidad y eficiencia, entre
sistemas de acceso tenemos para el enlace descendente la implementación de OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) y para el enlace ascendente el uso de
SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access).
11.1. OFDM (Enlace Descendente)
OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) constituye una técnica de
multiplexado, la cual combina múltiples portadoras de poca capacidad y de diferente
frecuencia en el transmisor para formar un compuesto de alta capacidad, donde cada
portadora transporta datos. La información se divide paralelamente en varios canales,
cada uno corresponde a una portadora, que se modula con técnicas convencionales como
QAM o PSK.
La principal característica de OFDM consiste es que sus portadoras son ortogonales en
frecuencia, esto nos permite poder realizar la transmisión paralelamente en un rango de
frecuencias evitando que se produzca interferencia en entre ellas. Este concepto de
OFDM se puede definir en la siguiente fórmula:
∫ ( ) ( )
Donde ( ) ( ) corresponden a las portadoras, que son ortogonales en el tiempo T.
OFDM es implementado primordialmente en sistemas de comunicaciones digitales tanto
guiados como inalámbricos que utilizan grandes anchos de banda, que son
implementadas para brindar servicios como televisión digital, comunicaciones móviles,
entre otros.
11.2. Sistemas que utilizan la modulación OFDM
Entre los sistemas que usan la modulación OFDM destacan:
- LTE (Enlace ascendente LTE).
- Televisión digital terrestre DVB-T, que es un estándar de TDT
- Radio digital DAB
- Radio digital de baja frecuencia DRM
- Protocolo de enlace ADSL
- Protocolo de red de área local IEEE 802.11a/g/n, también conocido como Wireless LAN
- Sistema de transmisión inalámbrica de datos WiMAX
- Sistema de transmisión de datos basados en PLC HomePlug AV
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11.3. Diferencias entre OFDM Y FDM
OFDM tiene características muy similares a FDM, una de sus diferencias es la eficiencia
espectral, esto debido a FDM implementa una banda de guarda entre sus canales,
mientras OFDM los acerca lo máximo posibles llegando hasta sobreponerlos entre si,
como podemos observar en la figura a continuación, gracias a que sus canales son
ortogonales, lo que correspondería a decir en sentido matemático que son
perpendiculares, por esta razón no existen inconvenientes al sobreponerse sus
espectros.
Fig. 17 Diferencia entre FDM y OFDM
11.4. Características de OFDM
Diversidad multiusuario: Con la implementación de OFDM se optimiza la asignación de
subportadoras a usuarios debido a que este procedimiento se realiza de forma dinámica,
teniendo además la posibilidad de mediante el uso de estrategias de scheduling poder
cambiar en periodos cortos este tipo de asignación.
Fig. 18 Ilustración del scheduling de paquetes en OFDMA
Scheduling consiste en seleccionar para cada subportadora el usuario que presente mejor
canal, es decir, que divise mejor relación señal a ruido, con lo que se mejorará la
utilización de la banda y se alcanzará una mayor velocidad de transmisión.
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Fig. 19 Implementación de Scheduling
De esta forma la estrategia de scheduling de paquetes es la encargada de determinar
cuáles de las subportadoras se asignan a cada uno de los diferentes usuarios, o a su vez
a los diversos flujos de información que pueda tener un mismo usuario, correspondientes
a diferentes servicios.
Robustez frente a la propagación multicamino: Mediante la aplicación del prefijo
cíclico, OFDM presenta una robustez ante la interferencia intersimbólica producida por la
propagación multicamino, pudiendo minimizar la distorsión mediante técnicas de
ecualización en el dominio de la frecuencia, que son más eficientes que las
ecualizaciones clásicas en el dominio temporal. Esta característica es muy importante
cuando se implementan bandas de transmisión superiores a 5 MHz, como ocurre con
LTE.
Prefijo Cíclico: A pesar de que la modulación OFDM tiene menos interferencia que los
sistemas monoportadores, continúa teniendo aunque en menor escala interferencias. El
prefijo cíclico consiste en un tipo de banda de guarda para cada símbolo, donde ubica en
el inicio una copia de la última parte de la señal en tiempo, la duración de este prefijo
debe ser como máximo ¼ de la duración de cada símbolo. La implementación de este
prefijo no afectará la ortogonalidad entre las portadoras, adicionalmente si el prefijo es
muy grande producirá un retardo en la señal pero a su vez disminuirá la ber.
Fig. 20 Prefijo cíclico para evitar interferencia entre símbolos
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Flexibilidad en la banda asignada: OFDMA simplifica la forma de adaptar diferentes
velocidades de transmisión a los diversos usuarios en base a los requerimientos que
necesite cada uno de sus servicios, esto con la asignación de las subportadoras que sean
necesarias.
12. SC-FDMA (Enlace Ascendente)
SC-FDMA es una técnica de acceso múltiple seleccionada, la cual tiene características de
transmisión muy similares a OFDM, con la diferencia de que se añade una precodificación
de los símbolos previo al proceso de transmisión OFDM, esto contribuye a disminuir las
variaciones en la potencia instantánea, como en se va indicado esta técnica tiene
características similares a OFDM como realizar la ecualización en el dominio de la
frecuencia, implementación de prefijo cíclico y la flexibilidad de la asignación de las
bandas con el fin de dedicar una o varias subportadoras a un usuario en base al tipo de
servicio. Por la inclusión del proceso de precodificación en DFT, también se suele llamar
a esta técnica DDT-Spread OFDM.
La principal característica entre SC-FDMA y OFDMA se establece a partir de que SC-
FDMA conduce a una sola portadora de señal de transmisión, a diferencia de la segunda
técnica que se caracteriza por una transmisión de múltiples portadoras.
Fig. 21 Diferencia entre ODMA y SC-FDMA.
En la imagen a continuación podemos describir brevemente el esquema de transmisión
de SC- FDMA, donde podemos visualizar que existen k números a ser transmitidos, estos
pasan una etapa de precodificación mediante el uso de una DFT de k muestras, luego se
procede a las etapas de transmisión OFDM, donde se implementa IDFT de N muestras,
donde cada subportadora tiene una separación Δf, posterior se agrega el prefijo cíclico.
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Fig. 22 Sistema de transmisión SC- FDMA
12.1. Procedimientos de RRM asociados a SC-FDMA
Como se indicó previamente algunas de las características de esta técnica son muy
similares a OFDM, los procedimientos de gestión de recursos asociados son similares, es
decir de igual forma se utilizan son los mismos formatos de modulación y de codificación
del canal. Pero cabe señalar que la estimación del canal en el enlace ascendente
necesaria para realizar scheduling, el cual contribuye a realizar asignaciones del canal
según las necesidades del usuario, tienen mayor complejidad que en enlace descendente,
esto debido al requerimiento de señales de referencia enviadas en desde cada uno de los
móviles que participan en el proceso de scheduling, a diferencia del enlace descendente
donde se usaban los mismos símbolos de referencia para todos los terminales, por este
motivo se tendrá una mayor señalización en el sistema del enlace.
12.2. Parámetros de SC-FDMA empleados por LTE
Para LTE los parámetros de enlace ascendente como descendente son muy similares, la
separación de subportadoras que se mantiene en Δf=15 kHz y se agrupan en bloques de
12 subportadoras, donde cada bloque se puede asignar flexiblemente a cada uno de los
usuarios de acuerdo a sus necesidades, con la limitante de que al emplearse esta técnica,
las subportadoras que fueron asignadas a un solo usuario tienen que ser contiguas. Con
respecto a la duración del prefijo cíclico y a los valores que tiene el periodo de de símbolo,
estos son similares al enlace descendente.
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13. TIPOS DE MODULACIÓN
13.1. BPSK
BPSK proviene de la modulación por desplazamiento de fase (PSK), la cual realiza su
modulación al hacer cambiar en base a valores discretos la fase de la portadora. Una de
las características de PSK es que a diferencia de la modulación convencional de fase al
tener una señal digital solo se utiliza un número limitado de estados.
En el modulador se representa la información a través del valor absoluto de la fase de la
señal modulada. De acuerdo al número de fases que se utilicen tenemos distintos tipos de
modulación BPSK (2 fases), QPSK (4 fases), 8 PSK etc. Al modularse en una mayor
cantidad de fases se puede transmitir una mayor cantidad de información pero con el
inconveniente de tener una mayor sensibilidad a ruidos e interferencias.
En BPSK (Transmisión por desplazamiento de fase binaria) en una sola frecuencia de la
portadora existen dos fases de salida, una de llas representa un 1 lógico y la otra un 0
lógico. Al ir cambiando los estados de la señal digital de entrada, en la portadora de salida
la fase se desplaza entre ángulos de 180° .
Fig. 23 Modulación BPSK
BPSK constituye un sistema de modulación eficiente en lo que respecta a identificación de
errores, adicionalmente este tipo de modulaciones tiene la ventaja de que la potencia de
todos los símbolos es igual, esto contribuye a facilitar el desarrollo de amplificadores y
receptores.
Aplicaciones: Dado que PSK es una modulación muy extendida tiene muchas
aplicaciones como por ejemplo el estándar 802.11b-1999 de red LAN inalámbrica IEEE,
implementa diferentes modulaciones PSK, dependiendo de la velocidad de transmisión.
En 1Mbps se aplica DBPSK (BPSK diferencial), en 2Mbps se aplica DQPSK, en 5,5Mbps
y 11Mbps se aplica QPSK.
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13.2. QPSK
QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) es un tipo de modulación digital PSK que
implementa cuatro fases, es representada en el diagrama de constelación por cuatro
puntos equidistantes desde el origen. Tiene la capacidad de codificar 2 bits por cada
símbolo, para esta asignación comúnmente se utiliza el código Gray, el cual establece
que entre dos símbolos contiguos únicamente se pueden diferenciar en 1 bit, lo que ayuda
disminuir la tasa de errores.
Fig. 24 Diagrama de constelación para QPSK con código Gray.
En un sistema QPSK a diferencia que en una modulación BPSK se puede duplicar la tasa
de datos manteniendo el mismo ancho de banda, o su vez mantener la tasa de datos
BPSK sin la necesidad de dividir el ancho de banda, esto en base a un análisis
matemático del sistema.
Una las principales ventajas entre QPSK y BPSK, consiste en que QPSK puede transmitir
en un ancho de banda predeterminado el doble de la velocidad de datos utilizando una
similar tasa de error, dado el tipo de codificación se debe indicar que los transmisores y
receptores de QPSK tiene un mayor rango de complejidad en comparación a BPSK. Algo
que se mantiene en QPSK es que siguen existiendo problemas de ambigüedad de fase
en el receptor.
13.3. 16-QAM
QAM es una modulación de amplitud en cuadratura (Quadrature amplitude modulation), la
cual permite la modulación de la portadora tanto en amplitud como en fase, la cual
comprende la suma lineal de dos señales moduladas en doble banda lateral con una
portadora suprimida. Entre algunas aplicaciones tenemos: módems telefónicos para altas
velocidades, transmisión de señales de televisión, microondas, satélite.
QAM para lograr simbolizar los posibles estados de modulación digital, se implementa el
diagrama de constelación, don los puntos de constelación se encuentran distribuidos de
forma uniforme en una rejilla cuadrada, manteniendo la misma separación tanto vertical
como horizontalmente. Dado que los estados de modulación QAM son normalmente un
número cuadrado, los tipos más comunes de modulación son 16-QAM, 64-QAM y 256-
QAM. Las constelaciones de orden superior permiten transmitir más bits por símbolo, pero
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30
a su vez tienen una mayor tasa de error debido al ruido y a la distorsión. Por lo que los de
orden inferior son los más confiables.
En QAM la constelación está codificada mediante la aplicación del código Gray, con lo
cual se consigue que cada símbolo solo cambie en un bit con su símbolo contiguo, con lo
que se consigue disminuir la probabilidad de error.
Fig. 25 Tipos de diagramas de 16 QAM
En 16-QAM cada uno de los cuadrantes se encuentran tres valores de fase y de amplitud
distintos, debido a esto cada uno de los puntos de la constelación representa 4 bits. En la
figura anterior se pueden observar dos tipos diferentes de diagramas de 16QAM, circular
y rectangular, donde se visualiza que existen distintas fases y amplitudes, de esta manera
constituye una combinación de ASK y PSK. La tasa de errores de este sistema depende
de la proximidad de los puntos contiguos de la constelación.
Para el sistema de modulación 16 QAM rectangular, la normativa de la ITU V29, establece
que el primer bit indica la amplitud, donde 0 es una amplitud pequeña y 1 es una amplitud
grande, y los 3 bits restantes establecen las ocho fases posibles.
13.4. 64-QAM
64-QAM es un sistema de modulación que posibilita la transmisión de dos diferentes flujos
de datos, de alta prioridad y de baja prioridad, a través de un solo flujo en un canal único.
Estas prioridades ayudan a mejorar la transmisión de acuerdo al tipo de servicio, por
ejemplo la alta prioridad es usada en sistemas móviles o portátiles y a zonas alejadas, en
cambio los datos de baja prioridad son implementados para receptores fijos que se
encuentran cercanos al transmisor.
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Fig. 26 Constelación 64-QAM formada por la combinación de un 16-QAM y un QPSK.
En una constelación 64QAM al tener una modulación jerárquica, se obtiene un sistema de
modulación a partir de la combinación de un 16 QAM, al cual se le asigna una baja
prioridad, y un QPSK, con una prioridad alta., esta combinación es usualmente la más
usada debido a que tiene un bitrate más elevado.
El sistema 64QAM tiene en la entrada dos diferentes señales, estas son codificadas por
separado, posterior a esto se realiza una intercalación de bits y el mapeo de la señal,
cada uno de estos símbolos contiene 6 bits, de estos bit los 2 primeros son de prioridad
HP y los cuatro restantes son de prioridad LP.
El sistema de recepción de 64QAM, decodifica los datos de alta prioridad distinguiendo
uno de los cuadrantes, debido a esto el SNR es muy elevado para la señal de baja
prioridad, y a su vez los datos de prioridad alta presentan una muy baja tasa de error.
Entre las principales aplicaciones tenemos sistemas de comunicación celular (LTE),
televisión digital y módems, en países como EE.UU. esta modulación es obligatoria para
cable digital, descrito en la norma ANSI/SCTE 07 2000.
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32
14. TÉCNICAS DE ACCESO MIMO
La incorporación de antenas adicionales en la estación base y/o en el terminal móvil,
permite aprovechar la diversidad espacial, inherente a la multiplicidad de caminos, para
mejorar las prestaciones del sistema en términos de tasa de error o capacidad.
Es así que en las redes celulares, para la trasmisión y recepción de las señales, se usan
varias técnicas de arreglos de antenas entre las cuales podemos mencionar:
14.1. Single Input Single Output (SISO)
Es la tecnología de antenas más simple; en esta configuración, tanto el transmisor como
el receptor tienen solo una antena; en ciertos entornos es vulnerable a los problemas
causados por los efectos multitrayectoria.
Fig. 27 SISO
14.2. Multiple Input Single Output (MISO)
La técnica MISO, conocida también como modo de “Transmit Diversity”; implica el uso de
varias antenas en el lado del trasmisor y tan solo una antena para la recepción de la
señal.
Fig. 28 MISO
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14.3. Single Input Multiple Output (SIMO)
La técnica SIMO, conocida también como modo de “Receive Diversity”; implica el uso de
una sola antena en el lado del trasmisor y varias antenas en la correspondiente al recepto.
Fig. 29 SIMO
14.4. Multiple Input Multiple Output (MIMO)
Fig. 30 MIMO
Técnica de acceso conocida como “múltiple entrada y múltiple salida” o “Multiple stream”,
la misma que ofrece aumentos significativos en rendimiento de procesamiento de datos.
Los sistemas MIMO convencionales están formados por M antenas transmisoras y N
receptoras. En recepción se reciben réplicas de la señal transmitida por cada antena
transmisora a través de M_N canales separados espacialmente.
MIMO, permite una mayor eficiencia espectral a través de la utilización de dos o más
antenas para la trasmisión y dos o más antenas para la recepción. La eficiencia del
sistema es directamente proporcional al número de antenas, mientras mayor sea la
cantidad de antenas, mayor será la eficiencia del mismo.
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Con MIMO, el uso de múltiples antenas tanto en el transmisor como en el receptor
permite:
Un aumento sustancial de las tasas máximas de datos, sin necesidad de
incrementar ni la potencia transmitida ni el ancho de banda utilizado.
Eficiencia espectral significativamente mayor, especialmente en entornos de baja
interferencia.
Mayor capacidad del sistema (número de usuarios).
Reducir la probabilidad de error
MIMO permite alcanzar altas tasas de 300 a 600 Mbps. Por lo tanto, la tecnología MIMO
se utiliza para mejorar el acceso inalámbrico en un gran número de aplicaciones. Varias
normas de acceso tales como LTE, WiMax, WiFi y HSPA utilizar esta ganancia para lograr
las mejoras significativas que cada uno posee.
En LTE, se utiliza para el enlace de bajada las técnicas de: Transmit Diversity (MISO),
Receive Diversity (SIMO) y Single-User MIMO (up to 4x4) y para el enlace de bajada:
Multi-User MIMO; todo esto desde el punto de vista de los terminales de usuario.
Cabe señalar que MIMO, basa su eficiencia en la línea de vista (LOS), que existe entre la
estación base y el terminal de usuario. En otras palabras, cualquier cosa que interfiera
con la ruta de señal, tales como edificios, vehículos, personas, etc. están contribuyendo a
la degradación de eficiencia del sistema y la eficacia de las aplicaciones MIMO.
15. APLICACIONES Y SERVICIOS DE LAS REDES LTE
A continuación se describen algunos de los servicios y aplicaciones típicos que se pueden
ejecutar en las redes LTE. La mayoría de estos servicios no son específicos de la
tecnología misma, ya que han sido adoptados de las tecnologías anteriores, mostrando
una mejora en su aplicación. Estos son:
Pushtotalk para celulares: es muy similar a la conocida comunicación de
servicio walkie-talkie. Proporciona un servicio de voz uno a uno o uno a muchos,
para un grupo de personas en modo halfduplex, lo que significa que sólo puede
hablar un participante en un momento dado, mientras que los demás están
escuchando.
Proporciona más información sobre el estado de los abonados, tales como:
actividad actual, ubicación, estado de ánimo, zona horaria, dirección de contacto,
mensajería instantánea y lista de dispositivos de conectividad a cual se tiene
acceso.
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Banda ancha inalámbrica: la tecnología LTE proporciona una conexión
semejante a la banda ancha tradicional con la ventaja de la movilidad y mayor
capacida. Con lo que bastará conectar el módem LTE a cualquier tipo de
computadora y salir navegando por Internet.
Acceso a Internet: Navegación en la Web más rápida y eficiente. Servicios de
búsqueda disponibles en celulares y en los smartphones3G, para encontrar
rápidamente enlaces, sitios, noticias, etc. Además de consultar mapas, descubrir
cuál es el mejor camino para llegar a un lugar, o usar servicios de navegación.
Descargas de música y videos: Bajar una canción completa con rapidez o ver
un video es una facilidad más de este tipo de tecnología. Con la tecnología LTE
descargar una canción o un video toma segundos, mientras que, en las
tecnologías anteriores, esto demora algunos minutos.
Video llamada y conferencia: LTE no sólo sirve para transmitir datos, sino que
puede usarse en servicios como Skype para mejorar la calidad del audio en las
llamadas e Incorporar video chat.
Juegos Online: Para jugar en línea, la latencia es fundamental, porque permite
mantener el juego fluido. LTE reduce estos tiempos de espera a casi cero,
permitiendo jugar de forma instantánea.
Televisión Online: La mayor velocidad de este servicio permitirá tener servicios
de video streaming, sino que también estos se verán en alta definición y se
podrán recibir en vivo.
M-Comercio: Móvil Comercio es un servicio dedicado a la transacción
electrónica a través del teléfono móvil. Permite a las empresas ampliar su
alcance en el mercado, ofrecer un mejor servicio y reducir los costos.
LTE (LONG TERM EVOLUTION) Maestría en Redes de Comunicaciones - PUCE
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Fig. 31 Aplicaciones móviles
16. SITUACIÓN ACTUAL LTE
LTE es una gran opción tecnológica para la prestación de servicios de telefonía celular,
puesto que ofrece al usuario una amplia gama de servicios multimedia. Vale la pena
considerar que las actuales tecnologías de comunicación móviles presente en la región de
Latinoamérica y Ecuador (GSM/UMTS/HSPA, etc), podrían permitir, de una manera
relativamente económica, la futura migración hacia las redes LTE.
16.1. Operadores y Proveedores
Muchos operadores de servicio de telecomunicaciones a nivel mundial, están apostando
por el uso de LTE para la prestación de sus servicios.
Estas operadoras tienen en sus manos el reto de no quedarse fuera del avance mundial
en cuanto a implementación de nuevas tecnologías, un ejemplo de ellos es Telia Sonera,
la cual ha es una operadora de servicios pionera a nivel mundial, en la implementación de
redes LTE, haciendo que los países nórdicos cuenten ya con este tipo de red.
De igual manera, fabricantes a nivel mundial, presentan al mercado soluciones
tecnologías para la prestación de servicio LTE, entro los cuales están:
ALCATEL-LUCENT
ERICSSON
HUAWEI
MOTOROLA
LTE (LONG TERM EVOLUTION) Maestría en Redes de Comunicaciones - PUCE
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NEC
NOKIA SIEMENS NETWORKS
ZTE
SUECIA TELIASONERA
Muchas de estas empresas, como por ejemplo ALCATEL-LUCENT y MOTOROLA, han
desarrollado redes prototipo para demostración de esta tecnología. En el caso de
Motorola, esta empresa ha realizado tours móviles de LTE en países europeos. Durante el
recorrido, los invitados y futuros usuarios, pudieron comprobar el rendimiento de la banda
ancha móvil que permite esta tecnología. La demostración también incluyó un handover,
entre sectores LTE y sectores bajo la cobertura de tecnologías predecesoras.
Para el 2014, se prevé que el 75% de usuarios a nivel mundial, tendrán acceso al servicio
en el momento del lanzamiento.
Los operadores móviles que piensan implementar la tecnología LTE, están en busca de
asesoramiento para optimizar y evolucionar sus redes a la próxima generación de 4G.
Según estudios, se alcanzarán los 136 millones de usuarios LTE hacia finales del año
2014, creciendo a una velocidad mucho más rápida que los estándares móviles
anteriores.
El desarrollo de LTE en este momento, ésta siendo respaldado por importantes
operadores alrededor del mundo. En América del Norte por las empresas
estadounidenses AT&T y Verizon. En Europa con los operadores de redes móviles T-
Mobile, TeliaSonera y Telenor Group. En China y Japón con los operadores SmarTone
Vodafone, China Mobile, Ntt Docomo y SoftBank. En Australia con su mayor proveedor de
servicios móviles Telstra. Y a nivel de Latinoamérica, por las operadoras: Antel en
Uruguay, CNT EP en Ecuador, Movistar en Chile, Telcel en México, entre otras.
16.2. Equipos Usados/Categoría de terminales
La industria de las telecomunicaciones, de la cual forman parte: operadores, fabricantes y
distribuidores; están atravesando un proceso de cambios para lograr el despliegue hacia
LTE, y además tiene que lanzar al mercado una amplia oferta de nuevos dispositivos que
soporten esta tecnología. Al momento ya se comienza a divisar los primeros despliegues
de LTE y por lo tanto, es necesario que los dispositivos terminales acompañen este
avance. Según un informe de la Asociación de Proveedores Globales Móviles (Global
mobile Suppliers Association, GSA), existen 98 dispositivos y módulos equipados con
LTE.
Respecto a los nuevos dispositivos más desarrollados, se encuentran: enrutadores,
módems USB, teléfonos, tabletas y portátiles; actualmente, ya existen en el mercado
algunos terminales a la venta, entre ellos tenemos: los teléfonos HTC ThunderBolt
LTE (LONG TERM EVOLUTION) Maestría en Redes de Comunicaciones - PUCE
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comercializado por Verizon y Samsung Craft comercializado por MetroPCS, la tableta
BlackBerry PlayBook disponible en Estados Unidos y Canadá y el módem Huawei E398
disponible en Suecia. La comercialización de estos dispositivos es limitada, en América
Latina, se están vislumbrando el uso de terminales modem marca Huawei y Alcatel, y de
Smartphone marca Alcatel (Tableta), LG (Optimus G) y Nokia (Serie Lumia). Uno de los
inconvenientes en la adquisición de estos equipos, es el alto costo.
Fig. 32 Terminales móviles LTE
LTE (LONG TERM EVOLUTION) Maestría en Redes de Comunicaciones - PUCE
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17. CONCLUSIONES
UMTS es una de las tecnologías 3G más utilizada, por los servicios que ofrece a
los usuarios tales como voz, datos y soporte para aplicaciones. Así mismo por la
integración que ofrece con GSM, EDGE, WCDMA, HSPA; resulta atractiva para
las operadoras, ya que permite flexibilidad para soportar diferentes servicios.
A medida que las tecnologías de comunicaciones móviles evolucionan, se
incrementa la velocidad de trasferencia y se reducen los tiempos de latencia.
Actualmente con LTE se logra velocidades de 1,2Gbps y latencias de 10ms.
LTE, es una de las tecnologías más próximas a los requerimientos de la 3GPP
para la generación 4G de redes móviles. Su flexibilidad en el manejo del ancho de
banda, permite la optimización de los recursos del espectro radioeléctrico, y
además proporciona las condiciones para operar con altas tasas de velocidad de
trasmisión.
LTE, permite una mayor capacidad de usuario por celda; esto debido a la
eficiencia con al que administra el ancho de banda. Adicionalmente, el usos de
antenas MIMO, permite mejorar el número de elementos de la red de acceso
(eNodoB), mejorando el área de cobertura de las celdas.
En LTE, teóricamente, los terminales móviles, podrán alcanzar velocidad de
trasmisión hasta 300Mbps, esto implica que los terminales deberán tener
procesadores más robustos que les permitan operar a estas velocidades de
trasmisión. Este hecho hará que los primeros terminales LTE tengan costos altos
en comparación con los actuales terminales de 3G.
En el caso de los terminales de usuario, los terminales LTE podrán funcionar sobre
redes 2G y 3G, debido a su compatibilidad inversa. Sin embargo, terminales
diseñados para 2G y 3G no podrán operar bajo cobertura LTE.
LTE, es una de las tecnologías con mayor eficiencia para la oferta de servicios y
contenidos que requieren mayor ancho de banda, los mismos que facilitaran la
conexión de las comunicaciones entre equipos.
Es una tecnología que puede transmitir múltiples señales simultáneamente sobre
un solo medio de transmisión (sean de texto, voz, vídeo, etc.), es decir cada señal
viaja con su propio y único rango de frecuencia.
Las señales con tecnología LTE viajarán más lejos que con la tecnología GSM, ya
que se reducen al número de antenas necesarias para lograr la misma cobertura
de la red, con lo que se disminuirá el consumo de energía.
Es la evolución de los actuales sistemas de telecomunicaciones móviles que
demanda la sociedad de la información en su continuo avance, tanto para los
usuarios finales como para los fabricantes, suministradores de tecnología,
operadores y empresas del sector de las telecomunicaciones.
El uso de la técnica MIMO, representara una forma económica de aumentar la
capacidad, el rango y la velocidad de transmisión al usuario en una variedad de
entornos, una con baja interferencia de radio y serán la técnica más empleada en
el acceso inalámbrico.
LTE (LONG TERM EVOLUTION) Maestría en Redes de Comunicaciones - PUCE
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Es importante mencionar que LTE, no es una tecnología de estándar única, sino
por el contrario se basa en estándares abiertos, lo que es igual una colección de
diversas tecnologías y protocolos que permiten mayor compatibilidad con el resto
de las tecnologías. Esta capacidad de adecuar viejas tecnologías con LTE
garantiza costos reducidos de instalación y operación, ya que permite la
adecuación de los equipos tecnológicos ya instalados y operativos, adaptarlos a la
nueva tecnología.
18. RECOMENDACIONES
LTE, es una nueva tecnología que aún se encuentra en desarrollo, por lo cual es
importante considerar, las posibles insatisfacciones que esta tecnología podría
ocasionar al usuario, respecto a las velocidades de trasmisión teóricas que se
pueden alcanzar.
Los costos de la tecnología seguramente serán un tanto elevados en un comienzo,
debido a las licitaciones del nuevo espectro LTE, renovación de equipo, costos de
mantenimiento y costos operativos (ventas, marketing, sistemas de gestión de
clientes, etc.), aunque esto se solucionará por medio de economías a escala.
El proceso de migración hacia LTE dejará muchos equipos sin utilidad, definir un
proceso de reciclado de dichos equipos ayudará a mitigar el impacto en el cambio
climático del proceso de migración.
19. BIBLIOGRAFÍA
Libros
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Bernardo, Fernando Casadevall, Ramon Ferrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol
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Lte en Latinoamérica “lte: La Evolución y no la Solución a Problemas de
Congestión” http:// www.tele-medios.com
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20. GLOSARIO DE TÉRMINOS
− LTE: Long Term Evolution − 1G: Primera Generación − 2G: Segunda Generación − 2.5G: Generación 2.5 − 3G: Tercera Generación − 3GPP: Third Generation Paterntship Project − E-UTRAN: Evolved- UMTS Terrestrial Radio Access Network − EDGE: Enhanced Data Rates for Global Evolution − eNB: Evolved Node B − EPC: Evolved Packet Core − ETSI: European Telecommunication Standards Institute − GSM: Global System for Mobile Communications − GPRS: General Packet Radio Service − HSDPA: High Speed Downlink Packet Access − HSPA: High Speed Packet Access − HSS: Home Subscriber Server − HSUPA: High Speed Uplink Packet Access − IMS: IP Multimedia Subsystem − MIMO: Multiple Input Multiple Output − OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access − P-GW: Packet Data Network Gateway − PCRF: Policy Control and Charging Rules Function − RNC: Radio Network Controller − SGSN: Service GPRS Support Node − GGSN: Gateway GPRS Support Node − QoS:Quality of Service − BSC: Base Station Controller − BSS:Base Station Subsystem − UMTS: Universal Mobile Telecommunications System − UTRAN:UMTS Terrestrial Radio Access Network − MSC/VLR: Mobile Switch Center/Visitor Location Register − MME: Mobility Management Entity − SISO: Single Input Single Output. − MISO: Multiple Input Single Output. − SIMO: Single Input Multiple Output. − MIMO: Multiple Input Multiple Output. − LOS: línea de visión directa. − S/R: Relación Señal Ruido. − WiMax: Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas.