CONFERENCIA EUITT HACIA LA 4G DE …telefonicamoviles.gio.etsit.upm.es/catedra/wp-content/... ·...

1

CONFERENCIA EUITTCONFERENCIA EUITT

HACIA LA 4G DE COMUNICACIONES MHACIA LA 4G DE COMUNICACIONES MÓÓVILESVILES

EVOLUCIEVOLUCIÓÓN DE LA CAPA FN DE LA CAPA FÍÍSICA: LTESICA: LTE--AA

2

1000

Mo

bil

ity

an

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ag

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1 100,1

Ped

rest

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Veh

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Data rate (Mbps)

100

4G research

target

Envolved 3G

CD

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2000 1

X

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GE

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1xE

VD

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VW

CD

MA

Rel4

HSPA

3.9G

3G EVOLUTION

802.20

WLAN

802.11n

WIMAX

802.16e

WLAN

802.11a,g

WLAN

802.11b

WIMAX

802.16-2004

MARCO EVOLUTIVO A 4G: TECNOLOGMARCO EVOLUTIVO A 4G: TECNOLOGÍÍAS ACCESOAS ACCESO

3

FTP

E-Mail

P2P

File

Share

IM VoIP

MUDD Gam-ing

VOD

MMS

SMS/Serial Games

(Chess)

Music Streaming

Web Browsing

Video Phone

Video

Conference

HSPA

EDGE Evolution

WCDMA R99

EDGE

<56 k

b/s

ec

1 sec 200 ms <50 ms10 sec

1 M

B/s

ec5 M

B/s

ec

Nar

row

ban

dB

road

ban

d

Bit

Rate

EDGE EDGE Evolution HSPAWCDMA R99

SynchronousAsynchronous Network Latency

MARCO EVOLUTIVO A 4G: APLICACIONES MARCO EVOLUTIVO A 4G: APLICACIONES

4

NORMALIZACINORMALIZACIÓÓN EN EL UITN EN EL UIT--RR

IMT-Advanced: ITU Global Standard for International Mobile Tlecommunications

• IMT-Advanced define una plataforma mundial en la que se basará la próxima generación de comunicaciones móviles.

5

• Las Telecomunicaciones Móviles Internacionales-Avanzadas serán sistemas móviles dotados de nuevas capacidades que superen las ofrecidas en las IMT-2000 y en acceso a una amplia gama de servicios de telecomunicación, en especial los servicios móviles avanzados, admitidos por redes fijas y móviles, que utilizan cada vez más la transmisión por paquetes.

• Los sistemas IMT-advanced admitirán aplicaciones de baja y alta movilidad y una amplia gama de velocidades de datos, de conformidad con las demandas de los usuarios y de servicios en numerosos entornos de usuario. También proporcionarán capacidades destinadas a aplicaciones multimedia de elevada calidad en una amplia gama de servicios y plataformas, lo que les permitirá lograr mejoras considerables de funcionamiento y calidad de servicio.

6

PRESTACIONES ESENCIALES DE LAS PRESTACIONES ESENCIALES DE LAS ““IMT ADVANCEDIMT ADVANCED””

• Un alto grado de uniformidad de funciones en todo el mundo manteniendo el mismo tiempo la flexibilidad de admitir una amplia gama de servicios y aplicaciones rentables.

• Compatibilidad de servicios con las IMT y las redes fijas.

• Capacidad de interfuncionamiento con otros sitemas de acceso radioeléctrico.

• Servicios móviles de elevada calidad.

• Equipo de usuario de utilización en todo el mundo.

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• Aplicaciones, servicios y equipos de fácil utilización.

• Capacidad de itinerancia mundial.• Velocidades máximas de transmisión de datos mejoradas para

admitir aplicaciones y servicios avanzados (como objetivo efectos de la investigación, se han establecido velocidades de 100 Mbit/s para una movilidad alta y de 1 Gbit/s para una movilidad baja).

8

• En la Asamblea de Radiocomunicaciones RA-07 (Ginebra, 2007) se llegó a un consenso para establecer el nombre IMT-Advanced y ampliar la familia de interfaces IMT-2000 3G con OFDMA.

• En la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones WRC-07 (Ginebra, 2007), se seleccionaron bandas de frecuencias adicionales armonizadas, a escala mundial, para su uso por las IMT-A.

• Es un paso importante en la evolución de IMT para satisfacer las necesidades crecientes de capacidad y cobertura de las comunicaciones móviles.

9

Nuevas Bandas de Frecuencis para IMT-A de la WARC-07:

▲ 450-470 MHz

▲ 698-862 MHz▲ 790-862 MHz

▲ 2,3-2,4 GHz▲ 3,4-3,6 GHz

Aunque algunas pueden no estar disponibles a escala mundial.

10

1 1 0 1 0 0 1 0 0 0

F I G U R E 2

I l l u s t r a t i o n o f c a p a b i l i t i e s o f I M T - 2 0 0 0 a n d s y s t e m s b e y o n d I M T - 2 0 0 0

E n h a n c e m e n t

D e n o t e s i n t e r c o n n e c t i o n b e t w e e n s y s t e m s v i a n e t w o r k s , w h i c h a l l o w s

f l e x i b l e u s e i n a n y e n v i r o n m e n t w i t h o u t m a k i n g u s e r s a w a r e o f

c o n s t i t u e n t s y s t e m s

N o m a d i c / l o c a l a r e a a c c e s s s y s t e m s

D i g i t a l b r o a d c a s t s y s t e m s

P e a k u s e f u l d a t a r a t e ( M b i t / s )

D a s h e d l i n e i n d i c a t e s

t h a t t h e e x a c t d a t a

r a t e s a s s o c i a t e d w i t h

s y s t e m s b e y o n d I M T - 2 0 0 0

a r e n o t y e t d e t e r m i n e d

N e w c a p a b i l i t i e s

o f s y s t e m s b e y o n d

I M T - 2 0 0 0

S y s t e m s b e y o n d I M T - 2 0 0 0 w i l l e n c o m p a s s

t h e c a p a b i l i t i e s o f p r e v i o u s s y s t e m sM o b i l i t y

H i g h

L o w

N e w

m o b i l e

a c c e s s

N e w n o m a d i c / l o c a l

a r e a w i r e l e s s a c c e s s

E n h a n c e d

I M T - 2 0 0 0

I M T - 2 0 0 0

D a r k s h a d i n g i n d i c a t e s e x i s t i n g c a p a b i l i t i e s , m e d i u m s h a d i n g i n d i c a t e s e n h a n c e m e n t s t o

I M T - 2 0 0 0 , a n d t h e l i g h t e r s h a d i n g i n d i c a t e s n e w c a p a b i l i t i e s o f s y s t e m s b e y o n d I M T - 2 0 0 0 .

T h e d e g r e e o f m o b i l i t y a s u s e d i n t h i s F i g u r e i s d e s c r i b e d a s f o l l o w s : l o w m o b i l i t y c o v e r s

p e d e s t r i a n s p e e d , a n d h i g h m o b i l i t y c o v e r s h i g h s p e e d o n h i g h w a y s o r f a s t t r a i n s ( 6 0 k m / h t o

~ 2 5 0 k m / h , o r m o r e ) . 1 6 4 5 - 0 2

MARCO DEL FUTURO DESARROLLO DEMARCO DEL FUTURO DESARROLLO DEIMTIMT--2.0002.000

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Hitos temporales de IMTHitos temporales de IMT--AdvancedAdvanced

• Invitación para proponer las RIT (Radio Interface Technologies): Marzo 2008

• Límite recepción propuesta de RIT: Octubre 2009

• Decisión sobre el marco de características básicas IMT (sello IMT-A): Octubre 2010

• Conclusión desarrollo de recomendaciones de especificación de RIT: Febrero 2011

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TECNOLOGTECNOLOGÍÍAS IMTAS IMT--AA

• Se han propuesto dos tecnologías para interfaz radio:

▲ LTE-Avanced▲ 802.16 m (WIMAX)

• La primera procede del 3gpp (ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TTA, TTC) y China.

• La segunda procede del IEEE, Japón, TTA• Hoy día LTE-A está mejor posicionada a nivel mundial y parece

que será la de adopción mayoritaria.

13

EVOLUCIEVOLUCIÓÓN ESTN ESTÁÁNDARES FAMILIAS NDARES FAMILIAS 3GPP3GPP

14

Motivación de la evolución: El incremento de tráfico requiere una tecnología de bajo coste por bit.

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Comparativa LTE Comparativa LTE vsvs otras tecnologotras tecnologíías actualesas actuales

PS, VoIPPS, VoIPBroadbandPS Y CS

over HSPA

BroadbandPS Y CS

over HSPA

BroadbandPS

CS y highSpeed PS

Servicios

PlanaPlanaPlanaRNC y directtunnel

RNCRNCArquitectura

63/48(DL/UL)

20Ver HSPAR6 & R8

36/25(DL/UL)

273 /17(DL/UL)

18Eficiencia de vozUser/MHz/Cell

1.7/0.7Mbps

1.4/0.6Mbps

Ver HSPAR6 & R7/R8

1.3/0.4Mbps

0.53 / 0.3Mbps

0.2/0.2Nbps

Eficiencia espec.MHz/celda DL/UL

1.4-20MHz

5-10 MHzUnpaired (TDD)

Ver HSPAR6 & R8

5 MHz5 MHz5 MHzAncho de banda

10-20 ms30-50 ms25 ms25-35 ms40-60 ms100-200 msLatencia

173/58Mbps

40/10Mbps

Ver HSPAR6 & R7/R8

434 /11.5Mbps

14/5.7Mbps

384/384kbps

Tasa picoDL/UL

LTE2WIMAX1HSPA+HSPAR7/R8

HSPAR6

WCDMAR4

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GENESIS DE LTE: GENESIS DE LTE: ““LECCIONES APRENDIDAS LECCIONES APRENDIDAS DE 3GDE 3G””

• Elevada complejidad del Núcleo de red en 3G en:– Equipos

– Protocolos– Señalización

Lo que se traduce en costes y latencia altos.• Uso poco eficiente de la anchura de Banda.

– Se ocupan 5 MHz cualquiera que sea la tasa binaria.• Prevalencia inicial de CS, aunque en 3,5G ya se da protagonismo a PS.

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• Buen desempeño (performance) de los turbo códigos.

• Ventajas notorias de la planificación (Scheduling).

• Buena respuesta de la técnica AMC (Adaptive Modulation andCoding)

• Ventajas de la técnica ARQ “inteligente”: HARQ. (Hybrid-ARQ)

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• Además de incorporar esas características de HSPA+, en LTE se “exprime” al máximo la tecnología radio. Por ello:– Se utilizan nuevas técnicas de modulación y multiacceso:

OFDMA y SC-FDMA.– Se emplea la tecnología MIMO para aprovechar la

propagación multitrayecto.

• Ambas tecnologías hacen un uso masivo del procesado digital de señales (DSP)

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PROBLEMPROBLEMÁÁTICA ASIGNACITICA ASIGNACIÓÓN N ESPECTRO A LTEESPECTRO A LTE

Ejemplos:

1. Dividendo digital: 790-862 MHzAnchura = 72 MHzNo es posible ubicar 4 licencias de BW = 20 MHz

2. Banda 2,6 GHzCapacidad suficiente para anchuras de 20 MHz y varios operadores

20

Conclusiones

1. Bandas bajas 800-900 MHz– Excelente cobertura– Capacidad limitada

2. Bandas altas: 2000-2600 MHz– Cobertura limitada– Excelente capacidad

3. Posibilidad– Bandas bajas: área rural– Bandas altas: áreas urbanas y “hot spots”

21

Tecnologías Subyacentes en LTE. Resumen

22

LTE: CARACTERLTE: CARACTERÍÍSTICAS ACCESO RADIOSTICAS ACCESO RADIO

23

Propuestas tPropuestas téécnicas para LTEcnicas para LTE--AA

• Dualidad de antenas para SU-MIMO y MIMO con diversidad.

• Anchura de banda escalable y superior a 20 MHz, posiblemente hasta 100 MHz.

• Redes de Área Local y Nomádicas.• Utilización flexible del espectro.

• Radio cognoscitiva.• Configuración y operación de red autónoma y automática.

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• Decodificación avanzada y corrección de errores FEC.

• Gestión y cancelación de interferencias.• Asignación de anchura de banda asimétrica para FDD.

• OFDMA y SC-FDMA hibridas en el UL.• MIMO coordinada entre eNB para UL Y DL.

• Nodos regeneradores de varios tipos.• Optimización de área local radio.

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CaracteristicasCaracteristicas bbáásicas de LTEsicas de LTE--AA

• Tasas binarias máximas: DL, 1 Gb/s; UL, 500 Mb/s.

• Eficiencia espectral: X3/LTE (MIMO).– DL: 30 b/s/Hz

– UL: 15 b/s/Hz• Uso del espectro:

– Posibilidad de soportar anchuras de banda escalables y agregación de portadoras contigua/no contigua

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• Latencia:

– Conexión (Idle-connected) <50 ms.– Transmisión paquetes unidireccional < 5 ms.

• Caudal en borde de célula: X2/LTE.• Caudal usuario medio: X3/LTE.

• Movilidad: Similar a LTE.

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COMPARATIVA LTE; COMPARATIVA LTE; LTELTE--A; IMTA; IMT--AA

1,4

1,2

2,0

0,74

-

UL1x2

2x4

2,22,63,7

1,872,67

DL

4x24x4

Capacidad

b/s/célula

15

6,75

30

15

15

3,75

DL

UL

Eficiencia espectral

Máxima (b/s/Hz)

10001000500

30075

DLUL

Tasa datos máxima(Mb/s)

IMT-ALTE-ALTEParámetro

28

Nuevas tecnologNuevas tecnologíías o mejoras radio enas o mejoras radio enLTELTE--AA

Las principales son:• Flexibilidad del multiacceso OFDMA/SC-FDMA.• Posibilidad de mayor anchura de banda

– Agregación de portadoras.– Agregación de espectro.→ Tasa máxima, flexibilidad de espectro.

• Técnicas MIMO avanzadas– Transmisión hasta 8 capas en DL.– SU-MIMO y hasta 4 capas en UL.– Nuevas matrices de precodificación.→ Tasa máxima, capacidad, caudal en el borde celular.

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• Transmisión/recepción multipunto coordinada CoMP– Transmisión CoMP en DL.

– Transmisión CoMP en UL.→ Caudal en el borde celular, cobertura, flexibilidad de

despliegue.• Reducción del retardo

– Procesado paralelo AS/NAS para reducir el retardo en el plano C.

• Regeneración (Relay)

– El regenerador tipo 1 crea una célula separada y aparece a los UE Rel 8 como un eNB Rel 8.

→ Cobertura, despliegue económico.

30

TECNOLOGTECNOLOGÍÍA DE ACCESO RADIO OFDM A DE ACCESO RADIO OFDM

• La OFDM realiza la transmisión de la información en paralelo mediante múltiples portadoras, cada una de las cuales soporta una fracción de la tasa binaria total R.

• La BW se divide en Nc subcanales sustentados por Ncsubportadoras no solapadas (ortogonales). Cada una transmite con una tasa R/Nc ocupando la anchura BW/Nc.

• Un símbolo OFDM es el conjunto de toda la información de las subportadoras, con tasa R, anchura de banda BW y periodo Tsimb.

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• La ortogonalidad de la subportadoras se consigue eligiendo una separación entre sus frecuencias, ∆f, tal que

donde Tútil es el periodo útil de símbolo

útilTf

1=∆

fNBW c ∆⋅=

32

• La modulación de las subportadoras se hace con alguna variante de QAM con M estados de modulación, según una constelación en ejes I y Q. Cada símbolo de modulación es un punto de la constelación representado por un número complejo que corresponde a log2 M bits, por lo que cada símbolo OFDM consta de Nc·log2 M bits y su periodo es:

Tútil = Tb·Nc·log2 M

siendo Tb el periodo de bit

33

34

JUSTIFICACIJUSTIFICACIÓÓN DE OFDMN DE OFDM• Transmisión digital banda ancha convencional con FSF:

– El FSF afecta a una parte del espectro y produce distorsión de la señal.

– Se contrarresta mediante ecualización.– Ecualización de TODO el espectro, aunque hay una amplia

porción no afectada por FSF.→Ecualizador MUY complejo, no viable prácticamente en

el dominio de la frecuencia.→Se ecualiza en el dominio del tiempo pero el hardware es

complejo, con elevado consumo.

Bw/2

FSFS(f)

-Bw/2f

35

• Transmisión digital OFDM

– Sólo se ecualizan las subportadoras afectadas por el FSF.– Para cada subportadora (banda estrecha) el desvanecimiento es

plano.– Viable la ecualización en el dominio de la frecuencia que es

individual para cada subportadora.→FDE (Frequency Domain Equalization).

FSF

f

36

• En consecuencia la OFDM es muy robusta frente al FSF.• La FDE requiere una estimación de la respuesta impulsiva del

canal.• Para ello se transmiten símbolos piloto o de sondeo conocidos por

el receptor en ciertas subportadoras y determinados instantes de tiempo.

• Puede también eliminarse la interferencia entre simbolos con tiempos de guarda.

• Otras ventajas de OFDM:– Flexibilidad de espectro, variando el número de subportadoras.– Posibilidad de multiacceso en frecuencia.– Simplificación de los receptores.– Idoneidad para su implementación con técnicas DSP.

37

• La OFDM puede utilizarse de forma dinámica:

– Asignando todas las subportadoras a un solo usuario.– Asignando grupos de subportadoras diferentes a múltiples

usuarios.De este modo es posible conseguir multiacceso FDMA.

• También es viable el multiacceso TDMA compartiendo subportadoras diferentes usuarios en tiempos distintos.

• Así, distribuyendo frecuencia y tiempo se tiene el multiaccesoOFDMA.

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• Para la protección frente a la interferencia entre símbolos (ISI) se habilita un tiempo o periodo de guarda, por lo que el tiempo útil de símbolo es

Tu = TS - Tg

• Durante el tiempo de guarda, el receptor no lee la información, por ello las colas de los ecos de un impulso transmitido que caen dentro del tiempo de guarda no afectan al símbolo siguiente (no hay ISI).

39

• El tiempo de guarda se elige en función de la dispersión de retardo del canal radio.

• La utilización del tiempo de guarda reduce el tiempo útil del símbolo y aumenta la anchura de banda o al revés, para una anchura dada reduce la tasa binaria.

40

EL PREFIJO CEL PREFIJO CÍÍCLICO: CPCLICO: CP

• El intervalo de guarda no se deja vacío, sino que en él se transmite una copia de la NCP , últimas muestras del símbolo para:

– Mantener la continuidad de la transmisión.– Poder aplicar la convolución cíclica y la ecualización en

frecuencia en recepción.• Tg =Tcp

41

• TCP debe ser mayor que la dispersión media temporal del canal.

• El receptor ignora la señal en el tiempo TCP.

• En consecuencia, la potencia de símbolo queda reducida por el término Tu/(Tu + TCP) y lo mismo le ocurre a la relación Eb/No.

• La elección TCP debe ser un compromiso entre potencial de eliminación de ISI y reducción de Eb/No.

42

• La modulación/demodulación “clásicas” de OFDM, son de compleja realización y ajuste.

• Sin embargo es viable una realización de estas operaciones mediante Procesado Digital de Señal (DSP), a través de las transformadas discretas de Fourier.

• DFT: Discrete Fourier Transform.

• IDFT: Inverse Discrete Fourier Transform.

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• Existe un algoritmo llamado FFT (Fast Fourier Transform) que permite el cálculo rápido y eficiente de DFT e IFFT, lo que ha potenciado la aplicación de éstas transformadas a las modernas comunicaciones digitales.

• Se dispone en el mercado de “chipsets” que implementan la FFT directa e inversa.

• La aplicación de FFT a la OFDM permite una realización compacta, eficiente y económica del procesado de la señal.

44

• En OFDM, el número de subportadoras puede variar desde algunos centenares a varios miles.

• La separación ∆f se elige según las características del canal radio, en especial.– La máxima dispersión del retardo → FSF

– La máxima dispersión Doppler→ TSF

• Una vez elegido ∆f, el número Nc de subportadoras se determina en función de la anchura de banda disponible.

• Para LTE, ∆f = 15 kHz y Nc es del orden de 600 para una anchura de banda de 10 MHz.

45

En LTE descendente se usa la flexibilidad de OFDM para la planificación/adaptación de las transmisiones.

46

3G LTE ACCESO RADIO, ENLACE ASCENDENTE3G LTE ACCESO RADIO, ENLACE ASCENDENTE

• Hay que aprovechar las ventajas de OFDM en cuanto a ecualización en frecuencia.

• Es necesario salvar el inconveniente de la alta PAPR de OFDM, perjudicial para el UL porque:– Reduce la eficiencia del amplificador RF.

– Incrementa el consumo de batería.

• También se requiere resolver el problema del multiacceso en el UL, con emisiones no coordinadas desde los UE.

• La solución SC-FDMA– SINGLE CARRIER FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS

47

INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN A SCN A SC--FDMAFDMA

• Deben cubrirse dos objetivos:a) Para los datos de usuario un solo canal o portadora (SC).

b) Para el sistema, señal tipo OFDM con CP.

• Para conseguirlo se juega con las transformadas DFT-IDFT aplicando a la señal de datos una precodificación con DFT.

48

• Esta precodificación “distribuye” la energía de cada símbolo entre todos, con lo que se suavizan los posibles picos individuales.

• Además, este paso al dominio frecuencial se aprovecha para ubicar las subportadoras generadas en diferentes lugares de un espectro amplio de forma distribuida o concentrada, dejando sitio para colocar subportadoras de otros usuarios (multiaccesoen frecuencia: FDMA).

• Al volver al dominio del tiempo, la señal resultante tiene propiedades de “single carrier”, aunque en realidad es “multicarrier”.

49

Constelación B. Base

Datos de Usuario

DFT IDFT CP ModuladorIQ

SC

OFDM

A B C D

EcualizaciónDemoduladorIQ DFT IDFT

Constelación B. Base

OFDM

SC

50

• Como entre B y C se ejecutan operaciones complementarias, pueden eliminarse la DFT e IDFT y aplicar los datos al módulo CP manteniendo la estructura del receptor. Ello simplifica notablemente el transmisor (equipo de usuario).

• La señal es estándar QPSK/MQAM en el dominio del tiempo, pero cuasi-cíclica (CP), para permitir la ecualización de frecuencia en recepción.

• Siendo única la señal, la PAPR es baja e igual a la que corresponde a una única portadora modulada.

51

• Desde el punto de vista de la parte OFDM (tras la DFT) la energía de los datos se reparte entre todas las subportadoras.

• Se aprovecha la DFT para procesar las frecuencias resultantes trasladándolas lo que hace posible el multiacceso FDMA.

• Para ello se establece una correspondencia o proyección (mapping) entre las N subportadoras resultantes de la DFT y M (M>N) subportadoras, añadiendo ceros al espectro.

52

• La correspondencia tiene dos modalidades:a) Distribuidab) Localizada

• Las distribuida (IFDMA = Interleaved FDMA)coloca uniformemente las frecuencias en el espectro. Produce una expansión espectral con factor SF (Spread Factor) = M/N

• La localización (IFDMA = Localizaed FDMA)traslada todo el bloque de subportadoras a otra parte del espectro

53

EjemploEjemploMultiacceso con 3 usuarios

54

TECNOLOGTECNOLOGÍÍAS MULTIANTENASAS MULTIANTENAS• La utilización de múltiples antenas en transmisión y recepción

permite una mejor utilización del canal radio términos de:

– Capacidad: mayor número de usuarios.– Cobertura: mejora de la SNR.

– Tasa binaria.– Eficiencia espectral.

• Se consideran dos aspectos:

– Físico: Disposición de las antenas (“hardware”)– Lógico: Procesado señales entregadas (“software”)

55

• Se distingue entre:– Trayectos radio.

– Capacidad de los trayectos y del enlace conjunto.

• Lo modernos sistemas de codificación ofrecen prestaciones que permiten utilizar la fórmula teórica de la capacidad de Shannon para evaluar la capacidad real.

C: Capacidad (bit/s); R: Tasa binaria (bit/s).

B: Anchura de banda (Hz).S/N: Relación señal/ruido (unidades lineales).

RNSBC ≥+⋅= )/1(log2

56

• Entonces

• Si se desea R/B>1 (alta eficiencia espectral) Eb/No puede ser demasiado alta, aún con diversidad espacial:

BRN

EBR

o

b

/

12 )/(−

≥

57

• Con nt antenas transmisoras y nr antenas receptoras, MIMO permite crear trayectos paralelos desacoplados entre transmisor y receptor.

• L = grados de libertad del canal = min (nt, nr) .

• En condiciones optimas, con MIMO, la capacidad puede ser:

)/1(log2 NSBLC +⋅⋅=

58

• Ahora la capacidad aumenta linealmente con el número de antenas.

• MIMO proporciona alta capacidad con anchura de banda limitada, es decir elevada eficiencia espectral.

• Se reduce la Eb /No necesaria para una R/B dada

• Ahora:BRN

E LBR

o

b

/

12 /)/(−

≥

59

• La división por L en el exponente, reduce la Eb/No.

• MIMO puede usarse:

– Para aumentar R a un solo usuario (SU-MIMO).

– Para compartir R entre varios usuarios (MU-MIMO).

60

COMPARACICOMPARACIÓÓN VALORES DE N VALORES DE EEbb/N/Noo ((dBdB))

14,1

1,9

-6

L = 4

-3,34,920,117,120,1R/B = 10

-5,6-0,37,94,97,9R/B = 5

-7,2-3,80-30R/B = 1

L = 4L = 2L = 1L = 2L = 1

CON MIMO ORDEN LCON DIVERSIDAD ORDEN L

61

TECNOLOGIA MIMOTECNOLOGIA MIMO• Utilización de múltiples antenas en transmisión y recepción.

• Matriz del canal: (hij), ganancia de la antena transmisora j a la antena receptora i.

• Vector transmitido x; vector recibido yy=H·x

TX RX[H]

CANAL

INPUT OUTPUT

X Y

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• Variedades:

– SIMO Single Input, Multiple Output.Sistemas clásicos de diversidad de espacio en recepción.

– MISO Multiple Input, Single Output.Diversidad en transmisión.

– MIMO Multiple Input, Multiple Output.Multiplexación espacial aprovechando independencia de trayectos, “grados de libertad” del canal.

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• Alternativas de multiantenas:– Beamforming.

Intensifica el haz en una o más direcciones concretas.Favorece el rechazo de interferencias.

– Diversidad.Procesado de señal para combatir el multitrayecto:

• MRC• Alamouti

– Procesado MIMO.Aprovechamiento multitrayecto para multiplexación espacial.

64

• Para condiciones de canal adecuadas, MIMO proporciona una ganancia “en grados de libertad” que se traduce en un aumento de capacidad por multiplexación espacial.

• Con nt antenas de transmisión y nr de recepción esa ganancia es proporcional a L= min (nt, nr).

• En consecuencia, MIMO proporciona alta capacidad con una anchura de banda limitada, es decir elevada eficiencia espectral.

65

• Se requiere que el multitrayecto sea lo suficientemente “rico”para que las antenas de recepción puedan separar las señales procedentes de las diferentes antenas de transmisión.

• La separación de los flujos de datos que comparten banda se basa en la decorrelación de las múltiples señales recibidas en presencia de multitrayecto.

66

HIPOTESIS PARA UN ANALISIS HIPOTESIS PARA UN ANALISIS SIMPLIFICADO DE MIMOSIMPLIFICADO DE MIMO

– Canal de banda estrecha.– Desvanecimiento plano, típicamente Rayleigh.– Potencia de transmisión limitada.– Transmisión en ráfagas.– Canal “cuasi-estacionario”, constante en cada ráfaga.– Canal conocido en el receptor mediante señales de sondeo.– Si el canal se conoce en el transmisor (CSI) se puede

optimizar la capacidad favoreciendo los mejores trayectos, de forma adaptativa.

67

CAPACIDAD CANAL EN MIMOCAPACIDAD CANAL EN MIMO

Su determinación se basa en las propiedades matemáticas de la matriz del canal H

Donde hij: es la ganancia de la antena transmisora j a la antena receptora i.

M = nr ; N = nt

=

MNM

N

hh

hh

H

LL

LLL

LL

1

112

68

DESCOMPOSICIDESCOMPOSICIÓÓN EN VALORES N EN VALORES SINGULARESSINGULARES

• Dada la matriz H(MxN), la descomposición, es:H=U·D·V*

– D(MxN), es diagonal con L= min (M,N) elementos no nulos: d1, d2…. dL en su diagonal.

– Las di se llaman valores singulares de D. Sus cuadrados di2

son los autovalores de la matriz H·H* y de H*·H, que son positivos o nulos

– El rango de H es L.

69

APLICACIONAPLICACION

Objetivo y=D·x

Transmisión realSe tiene y=U*·H·V·x U·y=H·V·x

Luego

xHy ⋅=

y*Uy;xVx;yUy ⋅=⋅=⋅=

V H U*

D

yH·V·xV·x

x

x y

70

Consecuencias:• Hay que hacer un procesado en transmisión para obtener a

partir de x y otro en recepción para extraer y de • Relaciones:

• Es necesario el conocimiento de la matriz H para generar U, D y V.

• Cada canal di define un modo de propagación i.• Potencia transferida entre xi e yi proporcional a di

2 .• A mayor di mayor relación señal/ruido y mayor capacidad.

x

y

yUy

xVx

⋅=

⋅=

*

71

Si se considera el ruido térmico blanco gaussiano w (AWGN) de densidad espectral N0/2, se tiene

La transmisión de x por el canal equivalente con procesado equivale a L=min (M,N) transmisiones independientes en paralelo.

iiii wxdy +=

+⋅=⋅⋅+⋅= wxDw*Uy*Uy

72

AplicaciAplicacióón del estn del estáándar LTEndar LTE

• Estructura canales físicos descendentes

• Una o dos palabras código.

• niveles (nmin ), P puertos de antena.• Asignación de elementos:

– Señales de referencia y sincronización.– Canales de control y PBCH.

– PDSCH (información).

ϑ

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• En LTE, se utilizan matrices de precodificación V predefinidas en un “code book”.

• Su dimensión es : P número de puertos de antena y número de capas de datos.

• La matriz, mediante un factor asigna las potencias por igual.

• Por ejemplo, la matriz

multiplica los símbolos de entrada por en tensión y por ½en potencia.

ϑ×P

ϑ

)2,2( == ϑP

10

01

2

1

2/1

74

EjemplosEjemplos

1.

Índice del code book

1

2

)2,2( == ϑP

4=ϑ

−

jj

11

2

1

10

01

2

1

75

2.

Índice del code book1

)4,4( == ϑP

4=ϑ

2/)1234(

1W

−−

−−

−−

=

−−=⋅−=

11

11

11

11

4

1

),1,,1()/(2

1

111111

jj

jj

jj

jj

W

jjuuuuuIW THH

76

• Posible elección de la matriz de precodificación LTE: Wn

1. Se obtiene V por SVD.

2. Se multiplica V por para repartir la potencia

3. Se compara con cada una de las matrices Wn del “code-book”, obteniéndose la matriz error.

4. Se evalúa el error cuadrático medio

5. Se elige la matriz Wn para la cual el error es el menor de todos.

ϑ/1

ϑ/VVP =

PV

npne WVW −=,

2

,

,

1∑⋅

⋅ ji

ne

tt

n Wnn

E

r

77

78

AgregaciAgregacióón de portadorasn de portadoras

• Aunque MIMO mejora la eficiencia de uso del espectro, por si sola no permite alcanzar tasas binarias elevadas en la anchura de banda de LTE. En LTE-A se ha establecido la “Carrier Aggregation”.

• Unión de varias portadoras en la capa física para proporcionar la anchura de banda necesaria para esas tasas binarias altas.

• La agregación se establece desde el nivel MAC. Un terminal LTE convencional “ve” una sub-banda solamente. Un terminal LTE-A puede utilizar todas las sub-bandas.

79

80

Multipunto Coordinado Multipunto Coordinado CoMPCoMP

• Tiene como objetivo el mantenimiento de tasas binarias altas en el borde celular.

• Consiste en la conexión múltiple de UE con dos o más eNBspara mejorar la transmisión/recepción en el borde y asegurar la tasa binaria.

81

• Requiere una estricta coordinación dinámica entre eNBSseparados geográficamente para proporcionar una planificación (scheduling) y una transmisión conjunta al UE en DL así como un procesado conjunto en el UL.

• Hay dos modos de funcionamiento:– Transmisión conjunta desde múltiples eNBs a un solo UE.– Selección dinámica de células con transmisión desde un

único UE.• Requisitos básicos:

– Realimentación detallada y rápida de las características del canal para realizar los cambios necesarios.

– Coordinación estrecha entre eNBs para facilitar la combinación de datos o conmutación rápida de las celdas.

82

CoMPCoMP en DLen DL

• El UE responde como si se tratase de una transmisión desde un solo punto. El UE no sabe que recibe señales desde eNBsdiferentes. Su receptor procesa la información y retorna señalización como si estuviese conectado a un único eNB.

La red determina el eNB idóneo para la conexión en cada caso según las estimaciones del canal.

Hay una ganancia de diversidad similar a la que se obtiene en redes SFN, que se traduce en una mejora en el uso de la potencia RF con la consiguiente reducción de la interferencia.

83

• El UE proporciona CSI (Channel Status Information). El UE suministra el CSI de todos los canales que puede “ver”manteniendo el procesado como en el caso de transmisión desde un único punto.

Para la red todo el procesado se hace en un solo nodo para conseguir suficiente rapidez y coordinación de las transmisiones desde los diferentes puntos.

84

CoMPCoMP en ULen UL

• Los UE tienen datos sobre las transmisiones de eNBs: eNBservidor, datos de canal y transmisión …… Ello mejora el procesado de señal a costa de su incremento.

• Concepto muy parecido a la macrodiversidad usada en WCDMA y HSPA.

85

LTE LTE relayrelay: Repetici: Repeticióón Regenerativan Regenerativa

• Es otra alternativa para asegurar altas tasas binarias en el borde celular o en puntos de señal débil (ej. Interiores).

• El “LTE-relay” ejecuta procesos de recepción-demodulación-decodificación con corrección de errores y retransmite la señal regenerada.

• De este modo, se mantiene la calidad de la señal, sin la degradación de SNR que se daría en una simple repetición con amplificación.

• El UE comunica con el regenerador y este enlaza con el eNB“donante”.

86

87

• Los regeneradores pueden soportar funcionalidades de capas altas, por ejemplo decodificar datos de usuario desde el eNBdonante y decodificarlos antes de su envío al UE.

• El regenerador es autónomo, no requiere conexión a la red.• Puede funcionar con cambio de frecuencia (outband) o sin

cambio (inband); en este caso con TDMA mediante reserva de subtramas MBSFN (Multimedia Broadcast over Single Frequency Network).

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• Se han especificado dos tipos de regeneradores:

– Tipo 1: El regenerador tiene su propia identidad y transmite sus propios canales de sincronización y simbolos de referencia. El UE lo “ve” como un eNB convencional.

– Tipo 2: El regenerador carece de identidad y se asemeja al eNB donante. Un UE en su zona de cobertura no puede distinguirlo del eNB.

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ReferenciasReferencias

• IMT-Advanced Submission and evaluation process web pagehttp://www.itu.int/ITU-R/go/rsg5-imt-advanced

• http://www.3gpp.org/ftp/tsg-ran/TSG RAN/TSGR45/Documents/• 3gpp: Specification TS.36116 E-UTRA: Relay radio transmission

and receptionSpecification TS.36201 E-UTRA: LTE Physical layer general descriptionSpecification TS.36211 E-UTRA: Physical Channels and modulationen 3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36-series.htm

90

• ITU-R Rec. M.1645 Framework and overall objectives of the future development of IMT-2000 and systems beyond IMT-2000

• ITU-R Report M2135 Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced

• ITU- R Report M2134 Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interfaces