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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENERIA
DEPARTAMENTO DE INGENERIA ELECTRICA
ESTUDIO DE QoS PARA LA TECNOLOGÍA LTE.
ENRIQUE ALEJANDRO VERGARA PALMA
PROFESOR: SR. JOSE VALENZUELA NUÑEZ
TRABAJO DE TITULACIÓN PRESENTADO EN
CONFORMIDAD A LOS REQUISITOS PARA
OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO DE
EJECUCIÓN EN ELECTRICIDAD
SANTIAGO – CHILE
2012
ÍNDICE DE CONTENIDOS
1. INTRODUCCIÓN 1
2. LTE/SAE 3
2.1 Aspectos Generales 3
2.2 Cuarta Generación en redes móviles LTE 4
2.2.1 Arquitectura LTE/SAE 5
2.2.1.1 E-UTRAN y eNode Bs 6
2.2.1.1.1 eNode B 6
2.2.1.1.2 La interfaz X2 7
2.2.1.1.3 Funcionalidades del eNode B 7
2.2.1.1.4 UE (User Equipment) 8
2.2.1.1.5 Interfaz S1 8
2.2.1.2 EPC (Evolved Packet Core) y sus componentes 8
2.2.1.2.1 MME (Mobility Managament Entity) 9
2.2.1.2.2 HSS (Home Server Suscriptor) 9
2.2.1.2.3 S-GW (Serving Gateway) 10
2.2.1.2.4 PDN GW (Packet Data Network Gateway) 10
2.2.1.2.5 PCRF (Policy & Charging Rules Function) 10
2.2.2 Protocolos LTE/SAE 11
2.2.2.1 Protocolos plano usuario 12
2.2.2.2 Protocolos plano control 13
2.2.3 Canal Físico Downlink (DL) 14
2.2.4 Canal Físico Uplink (UL) 16
2.2.5 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 17
2.2.6 Velocidades, rangos y espectro 18
3. QoS en LTE/SAE 21
3.1 Principios de entrega de QoS 21
3.2 EPS QoS, mecanismos de control 23
3.3 Overbooking y Throughput 24
4. Tecnologías LTE/SAE estudiadas 25
4.1 Control de recursos energéticos 25
4.2 HARQ (HybridARQ) 26
4.3 Handovers rápidos en LTE 27
5. Conlusiones 29
6. Referencias 30
1. INTRODUCCIÓN
“Estudio de QoS para la tecnología LTE.”
El objetivo general que se desarrollará, será Analizar las tecnología LTE
entre el eNodeB y UE para mejorar la QoS y la QoE, pudiendo determinar
variables que interfieren al mejoramiento de la calidad de servicio; objetivos
específicos tales como estudio de la arquitectura y protocolos empleados en
LTE/SAE, análisis del control de recursos energéticos y el HARQ, como
también el mejoramiento que produce el handover al QoS.
LTE se ha desarrollado principalmente por la necesidad de poseer una
nueva tecnología que sea capaz de satisfacer los intereses y/o necesidades
que los usuarios actuales demandan, hoy en día poseemos tecnologías que nos
entregan una conexión a la red con limitaciones, principalmente en velocidad,
latencia, entre otras. Por lo tanto se espera con las diversas modificaciones que
se realizarán a la arquitectura de las redes móviles que ya contamos, lograr
transformar LTE en una red igual de robusta como lo es la banda ancha fija, es
por esto que el reto principal es proveer de una banda ancha inalámbrica a un
menor costo y rendimiento, mientras que la movilidad no sea un problema para
la calidad de servicio (QoS).
La Calidad de Servicio (QoS Quality of Service) según la recomendación
ITU-T 800 la define como “Efecto global de la calidad de funcionamiento de un
servicio que determina el grado de satisfacción de un usuario respecto del
mismo”, en otras palabras, lograr entregar un buen servicio al usuario y que
éste se sienta conformidad con lo que busca, se deja en claro que la empresa
que entregue el servicio no poseerá la misma visión de campo que espera el
usuario tener como mejoramiento del servicio.
LTE/SAE (Long Term Evolution/System Arquitecture Evolution) es un
sistema de radio de acceso de la siguiente generación, fue diseñado para poyar
a los futuros requerimientos de los usuarios finales. Esto se puede lograr
introduciendo un sistema de mejora en los bloques dentro de la arquitectura
LTE. Dos de estos sistemas son:
Control de los Recursos de Energía: nos permite disminuir los niveles de
consumo de energía en nuestro terminal de usuario (UE) a través es de RRC-I
(Idle) modo inactivo y el RRC-C (Connected) modo activo.
Sistema de retransmisión de la información por posibles errores de
recepción, enviando petición al emisor, ésta información retransmitida se
mezcla con la que fue recibida (HARQ).
Este trabajo estará acotado a la tecnología LTE/SAE y a los dos sistemas
antes mencionados, se analizarán ambas tecnologías, para lograr observar su
influencia en el mejoramiento del QoS, se espera obtener valores para poder
compararla con tecnologías actuales y de esta manera observar si realmente
existen cambios con esta nueva tecnología.
2. LTE/SAE
LTE tiene como objetivo fundamental la mejora de prestación de
servicios, reducción de costos a usuarios como operadores, siendo cumplidas
gracias a las mejoras de las tasas de datos, la cobertura proporcionada, la
capacidad que posee el sistema y la reducción de la latencia. LTE/SAE nos
mostrará la calidad de servicio (QoS) suministrada por el EPS (Evolved Packet
System) y su aporte para ofrecer soluciones.
Figura 2-1. Hitos relevantes en el proceso de estandarización de LTE.
La figura 2-1 nos enseña los principales acontecimientos del proceso de
estandarización de LTE.
2.1 Aspectos Generales
Los sistemas de comunicación móvil se basan en transmisión de datos,
como lo es la voz; se logra realizar a través de un terminal de usuario o equipo
celular; una interfaz radio eléctrica que logra conectar al usuario a la red móvil.
El terminal de usuario debe ser capaz de soportar la tecnología LTE, de lo
contrario será como cualquier otro equipo.
Long Term Evolution (LTE) es el último paso que se ha dado en
tecnología de redes móviles, fue introducida y desarrollada por la 3GPP (3rd
Generation Partnership Project), se creó para el desarrollo de una nueva
tecnología móvil capaz de ir de la mano con las necesidades requeridas por
miles de usuarios avanzados y así garantizar la competencia de UMTS
(Universal Mobile Telecommunicatios System) para poder en un futuro
desplazarla. LTE también puede ser denominado más formalmente como E-
UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Accesss Network). Los estándares
que se crearon para LTE son completamente nuevos, en comparación a las que
se desarrollaron anteriormente, esta tecnología tiene como objetivos:
Aumento de velocidades de uplink y downlink.
Ancho de Banda escalable.
Mejora de la eficiencia espectral.
Todas sus redes a base de IP.
Una interfaz que logre soportar un gran número de usuarios.
Latencia reducida.
2.2 Cuarta Generación en redes móviles LTE
Luego de la salida de UMTS (3g y 3.5G), existió el interés por parte de
3GPP de desarrollar una tecnología que fuese capaz de garantizar la
competitividad de UMTS, frente a las limitaciones y a los nuevos avances
tecnológicos. Esta nueva generación adopta las bases de UMTS, pero es la
tecnología que mayores modificaciones en su arquitectura se desarrolló en
comparación a las anteriores generaciones. La 3GPP determinó una serie de
requerimientos para lograr el diseño de LTE, como:
Red unificadora con tecnologías previas.
Red simplificada sin división de dominios.
Red eficiente y automatizada.
Mejor calidad y tipos de servicio.
Velocidades de datos comparables con la banda acha fija.
Reducción de costos por bit en el tráfico.
Ahorro de energía en los terminales de usuario.
La creación de esta tecnología fue en base a la norma IEEE 802.16e
para accesos móviles de banda ancha inálambrica, a su vez emplea OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) que permite la mejora de la
velocidad de los datos y la eficiencia espectral, esta norma está basada
netamente en protocolo IP, adicionalmente 3GPP desarrolló el proyecto paralelo
denominado “System Architecture Evolution” (SAE) que impulsa aún más la
transmisión de voz y datos en paquetes netamente basados en IP.
2.2.1 Arquitectura LTE/SAE
Las características básicas que posee la nueva arquitectura para las
redes de 4G las hace compatibles con las redes ya existentes, entregándonos
aún mayores beneficios tales como la reducción de la latencia, ya que posee un
único nodo de interfaz aéreo; simplicidad en el uso de la red y a su vez la
mantención que se le debe realizar, mejoramiento de la calidad de servicio y
calidad de experiencia de usuario, aunque este último es un poco engorroso
poder distinguir si el usuario está conforme con el servicio que recibe; una
disminución total de los bloques en la arquitectura, tomando en comparación a
las antiguas tecnologías de telecomunicaciones.
La siguiente figura describe la arquitectura general de la red LTE y
UMTS, no sólo incluye los dos bloques más importantes de LTE, los cuales son
EPC (Evolved Packet Core) y E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Network
Access), sino también componentes adicionales que hace mucho más fácil la
comprensión y relación existentes entre ellos; en algunos casos las interfaces
S1, S2 o 3G son capaces de soportar los datos de los usuarios y la
señalización, en cambio en otros casos las interfaces se encuentran dedicadas
al plano de control y sólo el apoyo de señalización como las interfaces S6 y S7.
Figura 2-2. Arquitectura LTE
Se mencionó anteriormente no sólo están incluidos EPC y E-UTRAN,
adicionalmente hay otros bloques de la arquitectura clásica UMTS, como el
UTRAN (UMTS Terrestrial Network Access), el PS y las redes de núcleo CS,
redes IP y teléfono, entre otros bloques adicionales.
2.2.1.1 E-UTRAN y eNode Bs
Proveniente desde UMTS, la arquitectura UTRAN era inicialmente muy
ligada con GSM (2G) ya que sigue su modelo “estrella”, lo que significa que un
solo controlador como el RNC puede posiblemente controlar un gran número de
estaciones de radio base (Nodo B).
2.2.1.1.1 eNode B
En comparación con UTRAN, la E-UTRAN está basada en OFDM, éste
se compone sólo de un elemento de red, el eNode B, es decir, la versión
evolucionada del nodo B. El RNC 3G (Radio Network Controller) es heredada
de la BSC 2G (Base Station Controller). El eNode B está unido a la red central
mediante la interfaz S1. En general el eNode B corresponde a la red de antenas
disponibles para la comunicación de esta tecnología, es capaz de comunicarse
con otros eNode B
2.2.1.1.2 La interfaz X2
Corresponde a la interfaz que comunica y se encuentra entre los eNode
Bs, su sistema de trabajo se denomina “mallada” que quiere decir que compone
la red de eNode B unidos entre sí. El objetivo principal de la interfaz X2 es la de
minimizar las pérdidas de paquetes de datos que se deben a la movilidad del
usuario. El terminal de usuario al encontrarse en movimiento en la red de
acceso, puede perder paquetes, no enviándolos, gracias a este interfaz podrá
enviarse esta información que se encuentra en las colas de envío del eNode B.
2.2.1.1.3 Funcionalidades del eNode B
El eNode B es compatible con las capas 1 y 2, estas características
están asociadas a la interfaz de E-UTRAN y que se encuentran conectadas
directamente a los routers de la red, no existe un nodo de control intermedio
como si existió en tecnologías anteriores (como 2G/BSC o 3G/RNC), es esto lo
que le entrega la ventaja de ser una arquitectura de red simple, o sea, con
menos nodos de diferentes tipos haciedolo una operación simplificada de la red,
permitiendo un mayor y mejor rendimiento de la interfaz de radio.
Adicionalmente en capa 2, los protocolos en eNodeB ayudan en la disminución
de la latencia de transmisión de datos, ya que repara el retraso que se sufre por
la transmisión del envío de los paquetes. El eNode B es capaz de soportar una
gran cantidad de características tradicionales, todo relacionado con los
procedimientos de la capa física para la transmisión y recepción que se produce
a través de la interfaz de radio como lo son, la modulación y demodulación; la
codificación de canal y también la decodificación.
Se le otorgan características adicionales, puesto que no existen más
controladores de estaciones base en la arquitectura de LTE, como lo son:
Radio Resource Control (RSC): distribución, modificación y liberación de
recursos de transmisión sobre la interfaz de radio entre el terminal de usuario y
el eNode B.
Radio Gestión de Movilidad: proceso de medición y entrega de información.
Interfaz de Radio de capa 2: en el modelo OSI esta capa asegura la
transferencia de datos.
2.2.1.1.4 UE (User Equipment)
Esto ya corresponde al equipo usado por el usuario que obviamente tiene
que tener la capacidad de soportar esta tecnología, así implementando
servicios más completos y que sea capaz de soportar mayores velocidades de
transferencias.
2.2.1.1.5 Interfaz S1
Interfaz S1 usa SCTP / IP y GTP-U/UDP/IP para el control y el plano de
usuario respectivamente. El protocolo de señalización entre el eNB y MME es
identificado por S1-AP.
2.2.1.2 EPC (Evolved Packet Core) y sus componentes
Es la encargada de comunicar los datos desde eNB mediante la interfaz
S1, nos proporciona acceso a redes IP externas y realiza varias funciones como
la QoS, la seguridad, la movilidad y la gestión para terminales activos e
inactivos, dentro de este bloque encontramos:
MME (Mobility Management Entity)
HSS (Servidor de Abonado)
S-GW (Serving Gateway)
PDN Gateway (Packet Data Network Gateway)
PCRF (Policy and Charging Rules Function)
2.2.1.2.1 MME (Mobility Managament Entity)
Es la entidad encargada en la gestión de movilidad, o sea de
señalización, que permite el control de los nodos en las redes LTE, este bloque
nos entrega:
Seguridad de los procedimientos: se refiere a la autentificación del
usuario final, así como la iniciación y la negociación de cifrado y los
algoritmos de protección de integridad.
Terminal de red para el manejo de la sesión: se refiere a todos los
procedimientos de señalización, como la configuración de paquetes,
contexto de datos y parámetros asociados como la calidad de servicio
(QoS).
Este bloque está vinculado a través de la interfaz S6 al HSS, que es
capaz de soportar la base de datos que contiene toda la información de
suscripción del usuario.
2.2.1.2.2 HSS (Home Server Suscriptor)
Este bloque es similar al HLR (Home Location Register) y el AuC
(Authentication Center), estas son funciones que ya están presentes en redes
2G/GSM y 3G/UMTS.
El HLR es el encargado de almacenar y actualizar la base de datos que
contiene toda la información de suscripción del usuario, corresponde a:
La identificación y direccionamiento del usuario: correspondiente a la
IMSI (International Mobile Subscriber Identity) y MSISDN que viene
siendo el número telefónico del móvil.
Información del perfil de usuario: incluye los estados de suscripción y la
calidad de servicio que recibe el usuario a los servicios entregados como
por ejemplo la tasa de bits máxima permitida.
El AuC es el encargado de generar la información de seguridad, como
las claves de identidad de cada usuario, ésta información se le proporciona al
HLR y a la vez comunica a otras entidades de la red. La información de
seguridad que es proporcionado por el AuC es utilizado para
Cifrar la trayectoria de radio y la protección de la integridad del usuario,
asegurando los datos de señalización y de transmisión entre la red y el
terminal de usuario.
2.2.1.2.3 S-GW (Serving Gateway)
Es el encargado de enrutar los paquetes de datos, se implementan
preferiblemente como nodos de red distintos para facilitar la ampliación
independiente de control y plano del usuario. Cuando los terminales de usuario
tienen movilidad entre los eNode B el S-GW se utiliza como ancla de la
movilidad local, esto significa que los paquetes se enrutan a través de este
punto.
2.2.1.2.4 PDN GW (Packet Data Network Gateway) P-GW
De manera similar que el S-GW, el PDN GW es el punto de terminación
de la interfaz de paquetes de datos hacia la red. Es utilizado como punto de
anclaje para las sesiones a las redes de datos externas, este sistema también
admite funciones como:
El cumplimiento de políticas del operador, el cual asigna los recursos y servicios
que le corresponden al usuario
Filtrado de paquetes, realizando una revisión profunda de los paquetes por si
contienen virus.
2.2.1.2.5 PCRF (Policy and Charging Rules Function)
Este bloque gestiona las políticas de servicio y envía la información del
QoS para cada usuario correspondiente. El bloque PCRF es capaz de combinar
funciones para:
PDF (Policy Decision Function) es aquí donde se toman las decisiones
políticas, es decir, toma las decisiones sobre las reglas del operador de
la red, tales como, permitir o rechazar la solicitud del medio, permite la
solicitud de los medios de comunicación entrante y también comprueba
la asignación de los nuevos recursos contra el máximo autorizado.
CRF (Charging Rules Function) es el encargado del cobro por los
servicios que el usuario tiene, los cuales son entregados por el operador
e incluso los identifica, ya sea servicios de audio, video, etc.
La característica más importante que posee este tipo de arquitectura
recae en que la conexión entre estaciones base eNode B dejan de ser
manipuladas por un controlador de radio (RNC), de esta manera todas las
funciones que cumplía el RNC las realiza los eNode B, haciendo de ésta una
comunicación más directa.
2.2.2 Protocolos LTE/SAE
Para lograr hacer las funciones de cada bloque de red en LTE y así
obtener una transferencia correcta de datos de control y usuario, es necesario
una capa de protocolos en estos bloques de red.
Figura 2-3. Protocolos usados plano de usuario
Los protocolos que se pueden observar en la figura 2.3
corresponden a los del plano de usuario, estos permiten la transferencia
en LTE entre el UE y el eNode B, el protocolo IP nos permite la
asignación de la dirección IP al UE desde el PDN-GW.
2-4. Protocolos usados plano de control
En el plano de control no es muy distinto el sistema, ya que se utilizan los
mismos protocolos que en el plano de usuario. Agrega el protocolo RRC (Radio
Resource Control), el cual es el encargado de gestionar los recursos
energéticos y la movilidad del UE, se agrega también el protocolo NAS
estableciendo una comunicación directa entre el eNode B y el MME.
2.2.2.1 Protocolos plano usuario
Los protocolos que logran establecer el uplink y el downlink en LTE son:
el PDCP, RLC y MAC que los podemos encontrar en capa 2 del modelo de OSI,
el protocolo IP lo encontramos en capa 3 y el protocolo PHY es encontrado en
capa 1.
a) Protocolo IP (Internet Protocol): es un protocolo de comunicación de datos
digitales, su función principal es el uso bidireccional en origen o destino de
comunicación para transmitir datos.
b) Protocolo PHY (Physical layer Protocol): es un protocolo que provee el
servicio de transmisión de datos sobre el medio físico, así como la interfaz con
la entidad de gestión del nivel físico, por medio de la cual se puede acceder a
todos los servicios de gestión del nivel y que mantiene una base de datos con
información de redes de área personal relacionadas. Controla la selección de
canales.
c) Protocolo PDCP (Packet Data Convergence Protocol): protocolo de
convergencia de datos, en plano de usuario sus funciones son: Compresión y
descompresión de los datos; transferencia de datos del usuario a la interfaz
aérea; entrega en secuencia de las unidades de paquetes de datos; cifrado y
descifrado; detección de paquetes duplicados en el handover.
d) Protocolo RLC (Radio Link Control): protocolo de control del enlace de
radio, este protocolo posee dos estados de configuración, el primero es en
modo de confirmación (AM) y el segundo en modo sin confirmación (UM), esto
para realizar la transferencia en secuencia de los paquetes de datos; las
principales funciones que realiza son: transferencia de paquetes de datos sin
pérdidas a la capa siguiente; corrección de errores a través del ARQ, sólo en
AM; concatenación, segmentación y reensamble de paquetes de datos;
detección de errores, paquetes duplicados y recuperación de datos.
e) Protocolo MAC (Media Access Control): protocolo de control de acceso a
los medios, este protocolo es el encargado de controlar el acceso a la red en
uplink y downlink, nos entrega: asignación de los canales lógicos, ya sea de
control y usuario y canales de transporte; multiplexación y demultiplexación de
las unidades de paquetes de datos proveniente de la capa RLC; reportes de la
organización de paquetes; corrección de errores a través del HARQ; selección
del formato de transporte.
2.2.2.2 Protocolos plano de control
En este plano se utilizan los protocolos mencionados en el plano de
usuario, se adhieren dos protocolos que no están involucrados con la
transferencia en la interfaz aérea, lo que logramos con ellos es entregar la
movilidad al UE.
a) Protocolo RRC (Radio Resource Control): protocolo de control de los
recursos de radio, realiza las siguientes funciones: establecimiento,
configuración, mantención y liberación de una conexión RRC entre el UE y
eNode B; funciones de movilidad para localización (paging); funciones de
seguridad incluyendo gestión de claves; reporte de informaciones de medición y
control del UE; funciones de gestión de calidad de servicio.
b) Protocolo NAS (Non Access Stratum): este protocolo del plano de control
entre la UE y MME permite el soporte de la movilidad del UE y la gestión de
sesiones para establecer y mantener la conectividad IP entre el UE y el PDN-
GW, realiza funciones tales como: gestión de Portadoras-EPS; autentificación
con el HSS; control de seguridad; manejo de la movilidad en el estado Idle.
2.2.3 Canal Físico Downlink (DL)
La transmisión que se realiza en LTE en Downlink es con OFDMA
(Orthogonal Frecuency-Division Multiple Access), formado por dos técnicas de
acceso OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) y TDMA (Time
Division Multilple Access). Las razones para el uso de OFDMA son las
siguientes:
Modulación de portadora múltiple (MCM) que ayuda en el
desvanecimiento selectivo de la frecuencia, ya que el canal parece tener
casi respuesta de frecuencia plana para la subportadora de banda
estrecha
El rango de frecuencias del bloque de recursos y el número de bloques
de recursos se puede modificar, permitiendo la asignación del espectro
flexible.
La modificación de las velocidades máximas se puede lograr mediante el
uso de múltiples bloques de recursos y no mediante la disminución de la
duración del símbolo o incluso el uso de una modulación de orden
superior para reducir la complejidad al recepcionar la información.
OFDMA nos proporciona una mayor eficiencia espectral.
Posee un prefijo cíclico (CP) el cual es la repetición parcial de la
secuencia de bits por símbolo desde el principio hasta el final.
Como ya fue mencionado OFDMA es una mezcla de dos etapas de
modulación para lograr el envío de la información. La primera etapa es OFDM,
es una modulación digital que cuenta con varias portadoras ortogonales que
transmiten la información paralelamente. Las sub-portadoras serán las
encargadas de transportar la información, éstas sub-portadoras son moduladas
con los sistemas disponibles que cuenta LTE que anteriormente fueron
mencionados (QPSK, 16QAM, 64QAM), como este sistema combina varias
sub-portadoras es posible lograr la alta velocidad en la transferencia de
información.
OFDM trabaja en el dominio de la frecuencia y el tiempo. En frecuencia
las sub-portadoras se modulan de forma independiente y posteriormente en el
tiempo se introducen los prefijos cíclicos (CP intervalos de seguridad) entre los
paquetes de información, en este caso el CP nos permitirá prevenir las
interferencias entre los símbolos producido por los retardos que son causados
por los diversos caminos de difusión.
Las siguientes señales definen la capa física de downlink:
Señal de referencia: esta señal está compuesta de símbolos conocidos
transmitidos en una posición bien definida, conocido como símbolo
OFDM, este símbolo ayuda al receptor en el terminal de usuario con la
estimación de la respuesta impulsional del canal, de modo que la
distorsión de canal en la señal recibida puede ser compensada.
Señal de sincronización: esta señal se transmiten a las subtramas fijas,
ayudando en la búsqueda de células y en el proceso de sincronización
en el terminal de usuario.
Figura 2-4. Modulación OFDMA
2.2.4 Canal Físico Uplink (UL)
La transmisión que se realiza en Uplink es por medio de SC-FDMA. Este
esquema se lleva a cabo por un proceso de dos etapas, la primera transforma
la señal de entrada al dominio de la frecuencia (representado por coeficientes
DFT) y la segunda etapa convierte los coeficientes de una señal de información
usando OFDM.
Este sistema de transmisión emplea sólo una portadora para lograr el
acceso a las antenas MIMO, ya que el usuario y su equipo (UE) transmitirán
sólo con una antena y las estaciones bases (eNode B) recepcionarán la
información con dos antenas. Las razones para el uso de esta modulación se
debe a:
El proceso de dos etapas permite la selección del rango de frecuencia
apropiado para las subportadoras.
La transformación es equivalente al cambio en la frecuencia central de la señal
portadroa de entrada única. Las subportadoras no se combinan en fases
aleatorias para causar gran variación en la potencia instantánea de la señal
modulada.
Las siguientes señales definen la capa física de uplink:
Demodulación de la señal de referencia: la señal enviada por el terminal
de usuario junto con la transmisión de uplink ayudan con la estimación
de la respuesta impulsional del canal, provenientes del downlink, así
como para demodular efizcamente el canal uplink.
Transmisión de la señal de referencia: esta señal ha sido enviada por el
terminal de usuario, la red estima las condiciones generales del canal,
para poder asignar los recursos apropiados de frecuencia en la
transmisión de uplink.
Figura 2-5. Modulación SC-FDMA
2.2.5 Tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Las técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output) son utilizadas en LTE
con el fin de aumentar la cobertura y las capacidades de las capas físicas
mencionadas anteriormente. Gracias a esta incorporación de antenas en
downlink puede alcanzar velocidades de 326Mbps aproximadamente al usar
antenas 4x4 con y 86Mbps en uplink con antenas 1x2. Este método emplea 4
antenas en las estaciones emisoras y 4 antenas en las estaciones receptoras o
móviles, y en el otro caso es 1 antena en el móvil del usuario y 2 en las
estaciones receptoras.
Figura 2-6. Configuración de Antenas
2.2.6 Velocidades, rangos y espectro
LTE nos ofrece un espectro aún mayor de 1,25 a 20 Mhz, una mayor
movilidad de hasta unos 350 km/h, nuevos tipos de acceso tanto para el
Downlink como el Uplink, incorporación de sistemas de antenas en los equipos
de usuario (UE), todo esto es una gran mejora frente a las antiguas tecnologías
que poseemos. Este sistema está diseñado para su operación óptima con una
movilidad que puede alcanzar velocidades de los 15km/h.
La capa física de LTE se basa en el esquema OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) para cumplir con los objetivos de alta velocidad
de datos y eficiencia espectral mejorada. Los recursos espectrales se asignan
utilizando una combinación de ambos tiempos y unidades de frecuencia
subportadora. Se emplea la técnica de antenas MIMO (Multiple Input Multiple
Output) con 2 o 4 antenas compatibles. MIMO multiusuario soporta esquemas
de modulación en el Downlink (enlace descendente) y en el Uplink (enlace
ascendente) con QPSK, 16QAM y 64QAM.
La tecnología celular 4G soporta una velocidad máxima de 326,4 Mbps
como máximo pero esto es posible gracias a ciertas configuraciones que se
realizan según la ayuda de las antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output) y
el tipo de modulación que se emplee, ésta velocidad la podemos encontrar en el
Downlink del sistema, ya que para el Uplink la velocidad máxima alcanzada
varía con unos 86,4 Mbps, esto ocurre al igual que en el Downlink a la
configuración y tipo de modulación que tengamos disponible.
La siguiente tabla nos hace un resumen de lo antes mencionado.
Espectro 1,25 a 20 Mhz
Modos de Transmisión FDD, TDD, Half Duplex FDD
Movilidad Óptima 15km/h hasta 350km/h
Acceso Radio Downlink OFDMA
Uplink SC-FDMA
MIMO Downlink 2x2, 4x2, 4x4
Uplink 1x2, 1x4
Peak de
velocidad
Downlink 173Mbps 2x2, 326Mbps 4x4
Uplink 86Mbps 1x2
Modulación QPSK, 16QAM y 64QAM
Tabla 2.1 Características LTE.
La siguiente tabla muestra los peak de velocidad que existe para distintas
configuraciones posibles en downlink y uplink. En uplink se utiliza la
configuración SIMO 1x2, es decir, el terminal móvil transmite por una antena y
el eNode B recibe la información por dos antenas.
FDD downlink
con 64QAM
Configuración
antena
1x1 2x2 4x4
Velocidad
máxima
100Mbps 172,8Mbps 326,4Mbps
FDD uplink
con SIMO
Tipo de
modulación
QPSK 16QAM 64QAM
Velocidad
máxima
50Mbps 57,6Mbps 86,4Mbps
Tabla 2.2 Velocidades máximas en downlink y uplink, según ciertas
configuraciones.
Sistema LTE IMT-Advanced
Velocidad máxima DL 327,6Mbps
(4x4, 64 QAM)
1Gbps (alta movilidad)
100Mbps
(baja movilidad)
UL 86,4Mbps
(1x2, 64 QAM)
BW soportado Hasta 20Mhz 40Mhz, hasta 100Mhz
Eficiencia
espectral
Peak DL 15bps/Hz 15bps/Hz (4x4)
UL 3,75bps/Hz 6,75bps/Hz (2x4)
Average DL 1,87bps/Hz 2,2bps/Hz
UL 1,0bps/Hz 1,4bps/Hz
Cell
Edge
DL 0,06bps/Hz (4x2) 0,06bps/Hz (4x2)
UL 0,03bps/Hz (2x4) 0,03bps/Hz (2x4)
Latencia U-plane Menor que 30ms Menor que 10ms
Latencia C-plane Menor que 100ms Menor que 100ms
Tabla 2.3 Comparación de parámetros clave entre LTE y los requerimientos de
IMT-Advanced.
En cuanto a la latencia, LTE proporciona retardos menores de 10ms para
la transmisión de un paquete de la red al terminal móvil, en comparación con los
50ms de HSPA+. De esta manera el usuario recibe una mayor calidad de
servicio, con mayor capacidad de respuesta y así promoviendo el desarrollo de
servicios interactivos y en tiempo real, como lo son las videoconferencias,
diversas aplicaciones, juegos en línea, entre otros.
3. QoS en LTE
3.1 Principios de entrega de EPS QoS
La entrega de QoS ha sido siempre un tema importante en la gestión de
movilidad de las redes inalámbricas, como redes LAN, ATM inalámbricas, redes
móviles, entre otras. En el EPS (Evolved Packet System) el concepto de QoS
es el nivel más básico. Una portadora EPS lleva datos entre el PDN-GW y el
UE. Se logran identificar flujos de paquetes de datos correspondientes a un
tratamiento de calidad de servicio en la UE y el Gateway, que se especifican por
políticas de planificación, gestión de esperas en cola, políticas de configuración
de tasas, etc. Existen dos tipos de portadores el GBR (Guaranteed Bit-Rate) y
la n-GBR (Non- Guaranteed Bit-Rate).
En la portadora GBR la red dedica recursos con los correspondientes
GBR QoS, valor asociado con ella de forma permanente asignada durante la
portadora de creación/modificación. El servicio portador usando GBR asume
que las pérdidas relacionadas con la congestión de paquetes no ocurre. En
cambio la portadora n-GBR no garantiza la velocidad de bits, por esta razón el
servicio correspondiente debe estar preparado para la congestión y la pérdida
relacionada a los paquetes. Tales portadoras son adecuadas para servicios
más simples como lo son los e-mails
Una de estas portadoras puede ser predeterminado o un soporte
dedicado. Una portadora predeterminada es GBR, se establece cuando el UE
se conecta con PDN-GW y permanece a lo largo del tiempo de vida de
conexión PDN-GW, proporcionando a la UE una conectividad IP básica, esta
portadora no corresponde a la n-GBR, el nivel de QoS de esta portadora
predeterminada se asigna en función de los datos de suscripción del usuario.
En cambio cualquier portadora EPS adicional que es establecida por el PDN-
GW se le denomina como una de soporte dedicado. Una portadora de soporte
dedicado puede ser GBR o n-GBR, el operador puede controlar la asignación
de los flujos de paquetes en esta portadora y el nivel de QoS depende
netamente del PCRF.
El concepto de EPS QoS se basa en dos aspectos fundamentales:
Red iniciada de control de QoS
Red basada en el mapeo de los servicios del operador al usuario y el
reenvío de paquetes.
Estos dos principios mencionados proporcionan a los operadores de red
de acceso y los operadores de servicios un conjunto de herramientas que
permiten la habilitación del servicio y diferenciación de suscriptores. Mientras el
servicio de diferenciación incluye acceso a internet, VPN corporativa, peer to
peer (P2P) para compartir archivos, streaming de video, voz en IMS y no IMS.
En la red iniciada de control de QoS, sólo la red puede tomar la decisión de
establecer o modificar una portadora, en él se especifica un conjunto de
procedimientos de señalización para la gestión de tales portadoras y para
controlar el QoS que va asociado.
El concepto de EPS QoS está basado en clases, en donde a cada
portadora se le asigna una escala QoS Class Identifier (QCI). Las
características de QCI, como el tráfico de portadora entre el UE y el Gateway se
especifican en términos del tipo de portadora como GBR o n-GBR; la prioridad
de paquetes y la tasa de error de paquetes de pérdida
QCI Tipo de
recurso
Prioridad Paquete
de
asignació
n de
retardo
Tasa de
error de
pérdida
de
paquetes
Ejemplo de servicios
1 GBR 2 100 ms 10-2 Voz común
2 4 150 ms 10-3 Video común (live
streaming
3 3 50 ms 10-3 Juegos en tiempo real
4 5 300 ms 10-6 Video no-común
(buffered streaming)
5 n-GBR 1 100 ms 10-6 Señales IMS
6 6 300 ms 10-6 Video (buffered
streaming) basados en
TCP (e-mail, www, chat,
ftp, archivo p2p)
7 7 100 ms 10-3 Voz y video (live
streaming), juegos
interactivos
Tabla 3.1 Parámetros de QoS para Portadora EPS
3.2 EPS QoS, mecanismos de control
Los mecanismos de control del QoS se pueden dividir en, plano de
control de los procedimientos de señalización y las funciones del plano de
usuario.
Procedimientos de control plano de señalización: la política de control en
la red determina el manejo de cada flujo de paquetes para cada
suscriptor de acuerdo con los parámetros de QoS. Las modulaciones de
paquetes UL/DL se utilizan para describir el flujo de paquetes.
Funciones del plano de usuario: las funciones del plano de usuario de
QoS se llevan a cabo por la configuración de los nodos de la red a través
de los procedimientos especificados de señalización y a través de un
sistema de operación y mantenimiento.
3.3 Overbooking y Throughput
Para poder asegurar una calidad de servicio a una cierta cantidad de
usuarios, debemos conocer el término Overbooking y Throughput, estos
términos se puede definir como:
Overbooking: El término overbooking también conocido como valor de
sobreventa, se refiere al número de usuarios que, como máximo, comparten la
red de manera simultánea y a su vez el uso que estos usuarios le den a la red,
puesto que cada usuario tiene necesidades distintas.
Throughput: Flujo de datos máximo permitido a través de un canal, sin que se
produzcan errores en la transmisión. Típicamente se define como medida de la
tasa de transferencia de datos a través de un sistema de comunicaciones. Por
lo tanto, las unidades del throughput son bits/s o bytes/s. En sistemas de
comunicaciones donde el canal debe ser compartido por diversos usuarios, el
throughput es uno de los parámetros más relevantes en la medida de la
eficiencia de un sistema. En un entorno de telecomunicaciones, la eficiencia
global del sistema en términos de throughput dependerá de la relación entre los
intervalos destinados a la transmisión de datos (slot de datos) y los destinados
a tráfico de control (principalmente, períodos de contención y paquete de
downlink). Por lo tanto, cuanto mayor sean los paquetes transmitidos en el slot
de datos y menor sean los intervalos destinados a tráfico de control, mayor será
el throughput.
La relación que podemos establecer con estos dos parámetros es:
4. Tecnologías LTE/SAE estudiadas
4.1 Control de recursos energéticos
Este sistema nos permite disminuir los niveles de consumo de energía en
nuestro terminal de usuario (UE), lo realiza a través del sistema denominado
RRC (Radio Resource Control), el cual funciona en dos estados, RRC-I (Idle)
cuando tenemos nuestro equipo de modo inactivo en la conexión al eNodeB y el
RRC-C (Connected) cuando recibimos un servicio por medio del eNodeB.
El establecimiento del tipo de RRC usado siempre lo define el UE, pero
puede ser activado por el mismo UE o en defecto cuando la red lo requiera.
Por ejemplo:
El usuario pasará a modo RRC-I si el UE se mueve a una nueva zona y
tiene que completar el proceso de actualización de la zona de
seguimiento, en esta modalidad el usuario puede recibir datos por medio
de comunicaciones broadcast o multicast, es decir, es una transmisión
que reciben todos los UE que estén conectados a la red sin saber quien
fue el receptor de ella o también puede corresponder a una transmisión
de la red a un grupo de UE específicos simultáneamente.
De la misma manera el UE pasará a modo RRC-C si es que éste inicie
una aplicación para navegar por internet, enviar un correo electrónico o
realizar alguna aplicación que necesite el uso de la red. Este sistema
también recibe información de forma broadcast y multicast, incluye
comunicación unicast (punto a punto), permitiéndonos realizar enlaces
directos con el eNode B.
4.2 HARQ (HybridARQ)
Este otro parámetro importante de LTE /SAE ocurre en la recepción de la
información, como lo son los errores en los paquetes que el usuario obtiene
cuando se realiza la decodificación, esto ocurre principalmente por la
interferencia producida por el espacio radioeléctrico. El usuario al recibir la
información errónea envía al transmisor una petición de retransmisión de lo que
fue recibido, esto es denominado ARQ (Automatic Repeat reQuest) y se
desarrolla en la capa RLC, la retransmisión de las unidades faltantes de datos
por errores se manejan principalmente por el mecanismo Hybrid ARQ en la
capa MAC.
Posteriormente se introduce el HARQ (HybridARQ mezcla de FEC y
ARQ), en el ARQ, se agregan bits de redundancia a los datos que se transmiten
a través de una detección de errores (ED) de código tal como una
comprobación de redundancia cíclica (CRC). El receptor detectará el mensaje
dañado y solicitará nuevamente el mensaje del emisor. En Hybrid ARQ, los
datos originales se codifican con FEC (Forward Error Correction) y los bits de
paridad son bien inmediatamente enviados junto con el mensaje o sólo se
transmite a petición cuando un receptor detecta un mensaje erróneo. El código
ED puede omitirse cuando se utiliza un código que puede realizar tanto la
corrección de errores (FEC), además de esta detección de errores, contamos
con el código Reed-Solomon. El código FEC se elige para corregir un
subconjunto previsto de todos los errores que se pueden producir, mientras que
el método ARQ se utiliza como un retroceso para corregir los errores
incorregibles utilizando sólo la redundancia de la información repetida enviada
desde el emisor, en este caso vendría siendo el eNode B. Como resultado, es
de mayor fiabilidad HARQ que ARQ en condiciones de señal comunes, pero en
su forma más simple, esto se logra a expensas de un rendimiento
significativamente inferior en condiciones de señal buenas.
Para la retransmisión de la información se utilizan ambos mecanismos
(HARQ y ARQ), el HARQ nos proporciona retransmisiones muy rápidas, las
cuales son adecuadas para las altas velocidades de trabajo en LTE, mientras
que el ARQ se encarga en este proceso de retransmisión, de fiabilidad de la
información. Normalmente HARQ se ocupa de la mayoría de los errores de
transmisión, pero existen casos en que el mecanismo falla, por lo cual es
necesario que ARQ actúe.
En nuestro sistema contaremos con dos instancias de recuperación de la
información, una corresponde a la redundancia agregada en la codificación,
conocida como modulación y codificación adaptativa (AMC que corresponde a
otro sistema que posee LTE/SAE) y en segundo lugar nos encontramos con
ARQ que en el caso de fallar la decodificación, se recupera mediante la
retransmisión de la información.
A modo de ejemplo, para velocidades de datos superiores a los 100Mb/s
se requiere una probabilidad de pérdida de paquetes menor que 10-5.
En resumen el HARQ no sólo utiliza la información retransmitida por el
eNode B, también logra combinarla con la información originalmente que fue
recibida, de esta manera aumentando las probabilidades de éxito en la
recepción de toda la información, este sistema nos otorga mejoras en las tasas
de transmisión de datos.
4.3 Handovers rápidos en LTE
LTE/SAE nos otorga con sus bloques adicionales la facultad de poseer
una movilidad sin la necesidad de desconectarse, como cuando realizamos
algún viaje en vehículo, permitiéndonos un ancho de banda robusto y sin
interrupciones en la comunicación.
Además tener handover rápidos y sin problemas es muy importante para
los servicios sensibles al retardo (como la voz, videoconferencias). En LTE el
handover se produce con mayor frecuencia entre los eNode B. Esto se debe a
que el área cubierta por un MME y el S-GW lo utilizamos para un gran número
de eNode B, siendo esta una mayor área cubierta por solamente un eNode B.
La señalización en la interfaz X2 entre eNBs es usada para la preparación del
handover.
Para hacer el handover, las redes LTE se basan en la detección de
celdas vecinas que conoce el UE y por lo tanto no ocupa la información desde
la red
Como un ejemplo podemos observar la figura 4-1, la cual nos entrega un
esquema de handover activo en estado conectado (RRC-C), en esta figura el
UE se mueve de la zona de cobertura del eNode B de origen (eNB1) a la zona
de cobertura del eNodeB de destino (eNB2).
Figura 4-1. Esquema de Handover en LTE
En estado RRC-C el UE envía un informe sobre las mediciones de radio
a la fuente eNode B1 que indican que la calidad de la señal en eNode B2 es
mejor que la calidad de la señal en eNode B1. Como preparación para el salto,
el eNode B1 envía al eNode B2 la información del UE y la solicitud de enganche
al nodo, para hacer handover. Al recibir la información EPS QoS, el eNode B2
puede llevar a cabo el control de admisión, que consiste en; configurar los
recursos necesarios de acuerdo al tipo de servicio y de esta manera asigna un
canal de acceso de radio. En el momento en que eNode B2 puede enviar
señales al eNode B1 se encuentra listo para realizar el handover. El eNB1 envía
el “comando handover” al UE para cambiar la Portadora de Radio al eNode B2.
El UE recibe la orden de handover con los parámetros y es comandado por el
eNode B1 para realizar el handover.
Después de recibir el “comando handover”, el UE realiza la
sincronización con el eNode B2 y accede a la celda. El UE logra acceder a la
celda correspondiente del eNode B2 y envía un mensaje de confirmación de
handover indicando que el proceso está completo. Luego el eNode B2 envía un
“switch message” al MME para informar que el móvil cambió de celda. El MME
envía una actualización al S-GW. El S-GW cambia la ruta de datos para el
downlink al eNode B2 y envía paquetes "end maker" al eNode B1 y luego libera
todos los recursos del plano de usuario del eNode B1. Como el eNode B1
recibió este mensaje, ahora liberará los recursos de radio y de plano de control
que poseía con el UE.
5. Conlusiones
Los mecanismos de entrega de QoS que nos ofrece LTE/SAE son un
factor positivo para el UE, en primer lugar al introducir ciertos protocolos ya sea
en el plano de control y usuario, los cuales son la base para el funcionamiento
de los sistemas tales como handover, control de recursos energéticos, HARQ,
portadora EPS.
Cada uno de estos sistemas son un apoyo para el UE evitando retardos
en la información principalmente, esto es posible observarlo ya que LTE trabaja
con velocidades muy altas, por lo tanto, requiere en primera instancia una
pérdida de paquetes menor que 10-5 y valores de retardo que se encuentran
entre los 50 ms y 300 ms dependiendo del tipo de servicio que deseamos
obtener.
Lamentablemente por tiempo no se pudo realizar un trabajo más
exhaustivo a los sistemas de LTE/SAE que se explicaron, pero si este trabajo lo
pretendo emplear para una futura tesis, realizaré las mediciones y cálculos
requeridos para poder concluir de manera práctica y finalizar un trabajo como
corresponde.
6. Referencias
[1] LTE Encyclopedia.
https://sites.google.com/site/lteencyclopedia/
[2] Mobile Broadband driven by Convergence of IP and LTE technologies.
http://www.ewh.ieee.org/r6/scv/comsoc/Talk_111109_MobileBroadband.p
df Ultimo acceso, noviembre 2012
[3] Long Term Evolution (LTE) Wiki
http://lteworld.org/wiki/long-term-evolution-lte
[4] 3GPP LTE Radio Link Control (RLC) Sub Layer
http://www.eventhelix.com/lte/presentations/3GPP-LTE-RLC.pdf
[5] 3GPP LTE/SAE: An Overview, International Journal of Computer and
Electrical Engineering, Vol. 2, No. 5, October, 2010 1793-8163
http://www.ijcee.org/papers/232-E271.pdf
[6] RRC Connection Establishment
http://lte-bullets.com/LTE%20in%20Bullets%20-20RRC%20Establishment.pdf
[7] P.Lescuyer, and T.Lucidarme, “Evolved Packet System (EPS): The LTE and
the SAE Evolution of 3G UMTS”, John Wiley & Sons Ltd.
[8] Dual-Stream Beamforming Based HARQ Schemes for LTE-Advanced
System
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=5305377&url=http%3A%2
F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F5300798%2F5300799%2F05305377.pdf
%3Farnumber%3D5305377
[9] Rohdes & Schwarz, "Cell search and cell selection in UMTS LTE",
Application Note, 09/2009
http://www2.rohde-schwarz.com/file_12728/1MA150_0E.pdf
[10] Cell-Pair Specific Optimization of the Inter-RAT Handover Parameters in
SON
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp;jsessionid=Xrb1Q4yLJ43NWjLb4h
rpCtQJ9L32tB3mzh9stPVYnJGGSQ2vSBvn!-
1710983194?arnumber=6362522&contentType=Conference+Publications
[11] Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview (Protocols)
http://www.motorola.com/web/Business/Solutions/Industry%20Solutions/Service
%20Providers/Wireless%20Operators/LTE/_Document/Static%20Files/6834_Mo
tDoc_New.pdf
