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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Tesis Previa a la Obtención del Título de Ingeniero

Electrónico

TÍTULO:

“ANÁLISIS TÉCNICO, SOCIO-ECONÓMICO Y LEGALDE LA IMPLEMENTACIÓN DEL ESTÁNDAR LONG

TERM EVOLUTION ADVANCED EN EL ECUADOR”

AUTORES:

NELSON STALIN BRAVO CAMPOVERDE

BENITO ESTUARDO ÑAUTA ÑAUTA

DIRIGIDO POR:

ING. JUAN INGA ORTEGA

CUENCA - ECUADOR

2013

CERTIFICACIÓN

En calidad de DIRECTOR DE LA TESIS “Análisis Técnico, Socio -

Económico y Legal de la Implementación del Estándar Long Term

Evolution en el Ecuador” elaborada por los Señores Nelson Stalin Bra-

vo Campoverde y Benito Estuardo Ñauta Ñauta. Declaro y certifico la

aprobación del presente trabajo de tesis basándose en la supervisión y

revisión de su contenido.

DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD

Los autores son los únicos responsables por los contenidos, conceptos,

ideas, análisis, resultados investigativos y manifestados en la presente

tesis “Análisis Técnico, Socio - Económico y Legal de la Implemen-

tación del Estándar Long Term Evolution Advanced en el Ecuador”.

Los conceptos desarrollados, análisis realizados y las conclusiones del

presente trabajo, son de exclusiva responsabilidad de los Autores. Auto-

rizamos a la Universidad Politécnica Salesiana el uso de la misma con

fines académicos.

Cuenca, Mayo de 2013

DEDICATORIA

El presente trabajo de tesis lo dedico ha mis queridos padres Rolando y Jovita

por ser el pilar fundamental en la consecución de todos los objetivos planteados, a mis

hermanos Janneth, Omar y Maribel, por siempre estar pendientes, por sus consejos y

voz de aliento para salir adelante, para mis sobrinos Omar, Yamileth y Alex, por dar en

todo momento alegría a mi vida con sus actos y ocurrencias, a todos mis familiares y

amigos que no recordé al momento de escribir esto, esto también se lo debo a ustedes.

Nelson Stalin Bravo Campoverde

AGRADECIMIENTO

A Dios:

El hacedor de todas las cosas, por la vida, permitiéndome haberme dado salud

para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.

A mis Padres:

Rolando y Jovita, por creer en mi, por su apoyo incondicional a lo largo de to-

dos estos años he logrado culminar mis estudios universitarios, todo esto es gracias a

ustedes.

Al Ing. Juan Inga:

Director de esta tesis por su paciencia, predisposición y orientación a lo largo del

desarrollo de esta tesis.

A mi compañero tesis:

Benito por permitirme compartir esta tesis, que ha servido para aumentar nues-

tros conocimientos y estrechar aun mas nuestros lazos de amistad.

Nelson Stalin Bravo Campoverde

DEDICATORIA

Es un gesto de alegría poder dedicar este proyecto a mis Padres quienes siempre

han sido participe de todos los logros en mi vida, es por ellos que uno ha logrado

cumplir esta meta, a mi querida Madre que gracias a Dios todavía la puedo ver y

escuchar, quien con sus sabios consejos, su amor incondicional nunca ha desmayado

por lograr el bien común de la familia, a mi gran Padre quien con su valioso ejemplo,

sabiduría y experiencia siempre supo guiarme y ayudar a tomar las mejores decisiones.

Benito Estuardo Ñauta Ñauta

AGRADECIMIENTO

Es mi anhelo como sincero gesto de agradecimiento de este humilde proyecto de

Tesis primeramente agradecer a Dios por darme la Fe, Fuerza y Coraje para cumplir

mis anhelos, metas y sueños, por brindarme de dotes y cualidades que han servido de

utilización en mi vida, luego a mis Padres quienes con su tangible ejemplo, amor in-

condicional me supieron guiar y apoyar a conseguir mis metas en realidad, este triunfo

y logro se los debo a ellos, también es fundamental agradecer a mis sobrinos quienes

con su alegría e inocencia me llenaron en todo momento, al director de Tesis el Ing.

Juan Inga quien con su buena amistad, guía y tiempo nos supo llevar al correcto desen-

volvimiento del proyecto, a mi compañero de tesis, quien con su buen carisma, amistad

y apoyo fue fundamental en el cumplimiento de esta gran meta.

Benito Estuardo Ñauta Ñauta

RESUMEN

El propósito del presente trabajo es dar a conocer las características del Estándar

Long Term Evolution Advanced (LTE-A) analizando las modificaciones técnicas con

respecto a su predecesor LTE y presentar propuestas estratégicas para iniciar el desplie-

gue del estándar para que la cuarta generación (4G) sea implementada en el Ecuador

pues presenta mejoras considerables en su capacidad con respecto a redes de genera-

ciones anteriores. Se desarrolla un análisis económico para verificar la aceptación de

nueva tecnología en el sector de los servicios móviles avanzados e incluso verificar la

viabilidad de que los suscriptores cambien drásticamente sus equipos por aquellos que

soportan LTE.

En el capítulo uno “LONG TERM EVOLUTION ADVANCED (LTE-A)”, se

describe la evolución de las generaciones de telefonía móvil hasta llegar a la cuarta

generación (4G), dando a conocer las tecnologías principales de cada generacional,

luego se realiza un análisis profundo para entender al estándar LTE-A definiendo las

características y requerimientos que lo hacen ser considerado un estándar 4G, pre-

sentando ademas la estructura de su arquitectura formada por la red evolucionada de

paquetes (EPC) y la red de acceso E-UTRAN, finalmente se presenta técnicas como

Agregación de Portadoras, multi-antena (MIMO), y técnicas de modulación OFDMA

y SC-FDMA que permiten obtener altas velocidades y aprovechar de forma optima el

ancho de banda.

El capítulo dos “ANÁLISIS TÉCNICO DE LTE-A”, presenta la comparación

técnica de LTE-A con tecnologías como HSPA+, LTE y WirelessMAN-Advanced esto

para conocer ventajas, desventajas, características, modificaciones a nivel de núcleo

de red, red de acceso, tasas de datos, eficiencia espectral y aprovechamiento de los

recursos de radio entre estos estándares. Ademas se presenta los requerimientos para

la migración de HSPA+ a LTE-A, donde se muestra una arquitectura de red compuesta

por equipos que permitan manejar ambas redes de manera que se logre una migración

suave.

En el capítulo tres “IMPACTO SOCIO-ECONÓMICO DE LA IMPLEMENTA-

CIÓN DE LTE-A”, mediante un análisis económico se pretende determinar el nivel

de aceptación de los usuarios al ingreso de un nuevo equipo de cuarta generación, el

posible nicho de mercado en el cual se ofertaría el nuevo estándar LTE-A, se define un

análisis costo/beneficio para las operadoras Movistar, Claro y CNT del Ecuador, con

la finalidad de determinar si el despliegue de LTE-A es rentable, fiable y viable.

Se describe las distintas soluciones estratégicas en la toma de decisiones para las

operadoras en el cambio de equipos finales de usuario en función de la satisfacción de

los abonados y el medio ambiente.

En el capítulo cuatro “ANÁLISIS LEGAL DE LTE-A EN EL ECUADOR”, se

analiza el estado actual de las bandas de frecuencia para el despliegue de sistemas IMT

en el Ecuador, donde se ha asignado por parte del CONATEL las bandas de frecuencias

de 700 MHz, 1700/2100 MHz y 2.5 GHz, para las cuales se han adoptado diferentes

esquemas de segmentación, ademas en el caso de que en estas bandas se encuentren

operando algún tipo de servicio se respetaran los contratos de concesión y una ves

finalizados se utilizaran dichas bandas para el despliegue de sistemas IMT.

En el caso de la operadora CNT EP. se le asigno 70 MHz de espectro radioeléc-

trico, 30 MHz en la banda de 700 MHz y 40 MHz en la banda de 1700/2100 MHz

para el despliegue de LTE. También se analiza la posible asignación de espectro que

se puede dar para las operadoras CONECEL S.A.y OTECEL S.A., las cuales tienen

previsto implementar LTE, pero aun no se les asigna espectro para este fin.

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 1

1. LONG TERM EVOLUTION ADVANCED (LTE-A) 2

1.1. Evolución de las Redes Móviles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1. La Cuarta Generación (4G). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.2. Tecnologías de Cuarta Generación . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2. IMT-Advanced (IMT-A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.1. Beneficios Esenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3. Generalidades de LTE-Advanced (LTE-A). . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1. Características de LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.2. Arquitectura de la Red LTE-A. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.2.1. Red Troncal EPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.2.2. Red de Acceso de Radio E-UTRAN. . . . . . . . . 12

1.3.2.3. Dominio de Usuario. . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.3. Protocolos de la Interfaz de Radio. . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.3.1. Capa 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3.3.2. Capa 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3.3.3. La Capa Física. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.4. Esquemas Dúplex. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3.4.1. Estructura de Trama . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.5. Agregación de Portadoras (Carrier Aggregation, CA) LTE-A. 25

1.3.5.1. Usos de Agregación de Portadoras (CA) . . . . . . 27

1.3.6. Esquemas de Acceso Múltiple. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.3.6.1. Acceso de Radio en Enlace Descendente. . . . . . . 28

1.3.6.2. Acceso de Radio en Enlace Ascendente. . . . . . . 31

II

ÍNDICE ÍNDICE

1.3.7. MIMO Mejorado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.3.7.1. Múltiples puntos de transmisión y recepción coordi-

nados (CoMP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.3.8. Nodos Relay (RN). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.3.8.1. Escenarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.3.8.2. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.3.8.3. Cooperación de RN. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.4. Estado Actual de LTE-Advanced. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.4.1. Adopción de LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.4.1.1. Pruebas de LTE-Advanced. . . . . . . . . . . . . . 44

2. ANÁLISIS TÉCNICO DE LTE-A. 46

2.1. HSPA+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.1.1. Acceso a Paquetes a Alta Velocidad Plus (HSPA+) . . . . . . 46

2.1.2. MIMO y Modulación de Oren Superior (HOM) en HSPA+. . 47

2.1.3. W-CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.1.4. HSPA+ Rel. 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.1.5. HSPA+ Rel. 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.1.6. HSPA+ Rel. 9 y Rel. 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.1.7. Arquitectura HSPA+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.1.7.1. Túnel Directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.1.7.2. Nodo B con funciones RNC . . . . . . . . . . . . . 51

2.2. Comparación entre HSPA+ y LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.2.1. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.2.2. Técnica Multiantenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.2.3. Agregación de Portadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.2.4. Acceso al Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.3. Migración de HSPA+ a LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.3.1. Equipos que Permitirán la Migración . . . . . . . . . . . . . 58

2.4. LTE hacia LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.4.1. Comparación entre LTE y LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.4.2. Relay Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.4.3. Agregación de Portadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

III

ÍNDICE ÍNDICE

2.4.4. MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.5. WirelessMAN-Advanced o IEEE 802.16m . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.5.1. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.5.2. Interfaces de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.5.3. Comparación entre WirelessMAN-Advanced y LTE-A . . . . 65

2.5.3.1. Arquitecturas de Red . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.5.3.2. Interfaz de Aire 802.16m y Agregación de Portadoras 66

2.5.3.3. MIMO en IEEE 802.16m . . . . . . . . . . . . . . 67

3. ANÁLISIS ECONÓMICO 68

3.1. Equipos compatibles con el estándar LTE-A . . . . . . . . . . . . . . 69

3.1.1. Equipos compatibles con LTE-A en la actualidad para el usuario 69

3.1.2. Equipos de red compatibles con LTE-A en la actualidad . . . 70

3.2. Análisis económico de la implementación de LTE-A . . . . . . . . . 70

3.2.1. Análisis de las encuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.2.1.1. Formación Académica . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.2.1.2. Preferencia de Operadora Móvil . . . . . . . . . . 73

3.2.1.3. Nivel de satisfacción con la operadora . . . . . . . 74

3.2.1.4. Factores de insatisfacción . . . . . . . . . . . . . . 75

3.2.1.5. Aplicaciones consideradas importantes para un smartp-

hone 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.2.1.6. Rango de valores de equipo . . . . . . . . . . . . . 78

3.2.1.7. Grado de aceptación de adquirir un nuevo equipo 4G 79

3.2.1.8. Preferencia de planes para adquisición del equipo 4G 80

3.2.1.9. Nivel de ingresos mensuales . . . . . . . . . . . . . 81

3.2.2. Nicho de Mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.2.2.1. Tablas según los Rangos de Edad . . . . . . . . . . 82

3.2.2.2. Tablas según los Niveles de Ingreso . . . . . . . . . 85

3.2.3. Tasa Interna de Retorno (TIR) y Valor Actual Neto (VAN) . . 89

3.2.3.1. Determinación de Usuarios . . . . . . . . . . . . . 89

3.2.3.2. Factores que intervienen en la determinación de TIR

y VAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.3. Resultados del análisis económico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

IV

ÍNDICE ÍNDICE

3.4. Propuestas de estrategias para la implementación de LTE-A . . . . . . 120

3.5. Análisis Ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.5.1. Reciclaje Electrónico Regional . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3.5.2. Reciclaje Electrónico Nacional . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4. ANÁLISIS LEGAL DE LTE-A EN EL ECUADOR 124

4.1. Operadoras de Telefonía Móvil en el Ecuador y Bandas de Frecuencia

en las que operan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.1.1. CONECEL S.A. - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.1.2. OTECEL S.A. - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.1.3. CNT-EP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.2. Espectro propuesto por la UIT para la operación de IMT . . . . . . . 127

4.2.1. Segmentación de la Banda 698-960 MHz . . . . . . . . . . . 127

4.2.2. Segmentación de la Banda 1700-2100 MHz . . . . . . . . . . 128

4.2.3. Segmentación de la Banda 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . 128

4.3. Bandas de Frecuencias Destinadas para el Despliegue de Sistemas IMT

en Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.3.1. Segmentación A5 para la Banda de 700 MHz . . . . . . . . . 131

4.3.2. Segmentación B5 para Banda AWS 1700/2100 MHz . . . . . 132

4.3.3. Segmentación C1 para la Banda 2.5Ghz . . . . . . . . . . . . 133

4.3.4. Espectro Otorgado a CNT E.P. para Ofrecer Servicios 4G . . . 133

4.3.5. Soluciones para las Operadoras CONECEL S.A. y OTECEL

S.A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 137Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

ANEXOS 142

Anexo 1 143

V

ÍNDICE ÍNDICE

Anexo 2 146

Calculo de Cobertura de un eNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Anexo 3 151

Carateristicas de Equipos para la Implementacion de LTE-A . . . . . . . . 151

Anexo 4 155

Empresas que Mantienen Concesiones de Television Codificada Terrestre . 155

GLOSARIO 156

BIBLIOGRAFÍA 159

VI

ÍNDICE DE FIGURAS

1.1. Evolución de las tecnologías de acceso móvil. . . . . . . . . . . . . . 5

1.2. Comparación de M.2072 con los datos actuales. . . . . . . . . . . . . 8

1.3. Arquitectura de la Red LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4. Pila de Protocolos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5. Arquitectura Capa 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6. (a) Canal Descendente y (b) Canal Ascendente. . . . . . . . . . . . . 22

1.7. Estructura FDD y TDD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.8. Trama FDD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.9. Trama TDD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.10. Incremento del Ancho de Banda con CA. . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.11. Agregación de portadoras en ancho de banda contiguo. . . . . . . . . 26

1.12. Agregación de portadoras en ancho de banda no contiguo, única banda. 26

1.13. Agregación de Portadoras en ancho de banda no contiguo, múltiples

bandas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.14. Escenarios de Uso de CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.15. Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM). . . 29

1.16. Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales. . . . . . . 29

1.17. Scheduling de Paquetes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.18. Esquema Transmisor-Receptor OFDMA. . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.19. SC-FDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.20. (a) Asignación Contigua de RB, (b) asignación no-contigua. . . . . . 32

1.21. N-DFT-S-OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.22. Esquema Transmisor-Receptor DFT-S-OFDM. . . . . . . . . . . . . 34

1.23. Dirección (a) DL y (b) UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.24. LTE-Advanced principales modos MIMO. . . . . . . . . . . . . . . 35

VII

ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE FIGURAS

1.25. Combinación de Beamforming, Multiplexación y Diversidad Espacial. 37

1.26. Transmisión CoMP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.27. Esquema básico de un Nodo Relay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.28. Escenarios Para el Uso de Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.29. Esquema de Cooperación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.1. Evolución de HSPA+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.2. 2x2 MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.3. W-CDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.4. Dual-carrier HSPA+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.5. Incremento de Velocidad en Rel-8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.6. Rel. 9 Multicarrier en Downlink, y Uplink. . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7. Rel. 10 Multicarrier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.8. HSPA+ con Túnel Directo y Nodo B con funciones RNC. . . . . . . . 51

2.9. Arquitectura HSPA+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.10. Técnica de Multiantenas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.11. Agregación de Portadoras en HSPA+. . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.12. Agregación de Portadoras en LTE-A. . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.13. HSPA+ y LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.14. Cisco ASR 5000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.15. Multi-acceso con Cisco ASR 5000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.16. Alcatel-Lucent EPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.17. EPC de HUAWEI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.18. E-UTRAN HUAWEI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.19. Arquitectura de la red LTE-A con RN. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.20. Agregación de portadoras en LTE-A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.21. MIMO en LTE y LTE-A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.22. Arquitectura WiMAX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.23. Estructura Trama IEEE 802.16m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.1. Diagrama de red LTE con equipos Huawei. . . . . . . . . . . . . . . 70

3.2. Distribución de Encuestas por Ciudad . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.3. Nivel académico de los encuestados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

VIII


3.4. Preferencia de encuestados por operadora móvil . . . . . . . . . . . . 74

3.5. Satisfacción de los encuestados con la operadora . . . . . . . . . . . 75

3.6. Factores de insatisfacción y grados de importancia . . . . . . . . . . . 76

3.7. Aplicaciones consideradas como importantes por los encuestados . . . 77

3.8. Rango de valores de equipo de los encuestados . . . . . . . . . . . . 78

3.9. Grado de aceptación de los encuestados en adquirir un nuevo equipo . 79

3.10. Preferencia de planes de los encuestados . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.11. Nivel de ingreso mensual de los encuestados . . . . . . . . . . . . . . 81

3.12. Nivel de Ingresos según el Rango de Edad . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.13. Aceptación de Nuevo Equipo según el Rango de Edad . . . . . . . . . 84

3.14. Elección de Planes de Servicio según el Rango de Edad . . . . . . . . 85

3.15. Precios de Equipos según el Nivel de Ingresos . . . . . . . . . . . . 86

3.16. Aceptación de Nuevo Equipo según el Nivel de Ingresos . . . . . . . 87

3.17. Planes de servicio según el Nivel de Ingresos . . . . . . . . . . . . . 88

3.18. Satisfacción de los encuestados con la operadora Claro . . . . . . . . 90

3.19. Aceptación de Nuevo Equipo - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.20. Niveles de Ingreso - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.21. Planes de Servicio - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.22. Satisfacción de los encuestados con la operadora Movistar . . . . . . 94

3.23. Aceptación de Nuevo Equipo - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.24. Niveles de Ingreso - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.25. Planes de Servicio - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.26. Satisfacción de los encuestados con la operadora CNT . . . . . . . . 97

3.27. Aceptación de Nuevo Equipo - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.28. Niveles de Ingreso - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.29. Planes de Servicio - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.30. Factores de Insatisfacción de Mayor Importancia . . . . . . . . . . . 100

3.31. Aceptación de Nuevo Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.32. Niveles de Ingreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.33. Planes de Servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.1. Cuadro nacional de frecuencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.2. Segmentación A5 para Banda 700 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . 132

IX


4.3. Segmentación Banda AWS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.4. Segmentación Banda 2.5 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4.5. Propuesta para la asignación de espectro en la banda de 700 MHz . . 135

4.6. Propuesta para la asignación de espectro en la banda AWS 1700/2100

MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.7. Propuesta para la asignación de espectro en la banda 2.5 GHz. . . . . 136

4.8. Huawei eCNS600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.9. BBU y RRU Huawei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4.10. iManager M2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

X

ÍNDICE DE TABLAS

1.1. Comparación entre Generaciones de Telefonia Móvil. . . . . . . . . . 4

1.2. Bandas de frecuencia identificadas para IMT. [20] . . . . . . . . . . . 7

1.3. Eficiencia espectral promedio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4. Throughput de usuario en el borde de la celda. . . . . . . . . . . . . . 10

2.1. Comparación entre LTE y LTE-A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.2. Comparación entre LTE-A e IEEE 802.16m. . . . . . . . . . . . . . . 67

3.1. Distribución de Encuestas por Ciudad . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.2. Nivel académico de los encuestados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.3. Preferencia de encuestados por operadora móvil . . . . . . . . . . . . 73

3.4. Satisfacción de los encuestados con la operadora . . . . . . . . . . . 74

3.5. Factores de insatisfacción y grados de importancia . . . . . . . . . . . 75

3.6. Aplicaciones consideradas como importantes por los encuestados . . . 77

3.7. Rango de valores de equipo de los encuestados . . . . . . . . . . . . 78

3.8. Grado de aceptación de los encuestados en adquirir un nuevo equipo . 79

3.9. Preferencia de planes de los encuestados . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.10. Nivel de ingreso mensual de los encuestados . . . . . . . . . . . . . . 81

3.11. Nivel de Ingresos según el Rango de Edad . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.12. Aceptación de Nuevo Equipo según el Rango de Edad . . . . . . . . . 83

3.13. Elección de Planes de Servicio según el Rango de Edades . . . . . . . 84

3.14. Precios de Equipos según el Nivel de Ingresos . . . . . . . . . . . . 86

3.15. Aceptación de Nuevo Equipo según el Nivel de Ingresos . . . . . . . 87

3.16. Planes de servicio según el Nivel de Ingresos . . . . . . . . . . . . . 88

3.17. Satisfacción de los encuestados con la operadora Claro . . . . . . . . 90

3.18. Aceptación de Nuevo Equipo - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

XI

ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE DE TABLAS

3.19. Niveles de Ingreso - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.20. Planes de Servicio - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.21. Satisfacción de los encuestados con la operadora Movistar . . . . . . 93

3.22. Aceptación de Nuevo Equipo - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.23. Niveles de Ingreso - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.24. Planes de Servicio - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.25. Satisfacción de los encuestados con la operadora CNT . . . . . . . . 97

3.26. Aceptación de Nuevo Equipo - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.27. Niveles de Ingreso - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.28. Planes de Servicio - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.29. Factores de Insatisfacción de Mayor Importancia . . . . . . . . . . . 100

3.30. Aceptación de Nuevo Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.31. Niveles de Ingreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.32. Planes de Servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.33. Población proyectada 2013 por Ciudades. . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.34. Usuarios finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.35. Proyección de Usuarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.36. Ingresos anuales - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.37. Ingresos anuales - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.38. Ingresos anuales - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.39. Gastos de Venta y Operación - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.40. Gastos de Venta y Operación - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.41. Gastos de Venta y Operación - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.42. Densidad - Ciudad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.43. Usuarios en función del Área de Cobertura . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.44. Usuarios por Operadora y Ciudad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.45. Número de Estaciones Base por operadora . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.46. Inversión- Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.47. Inversión- Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.48. Inversión - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.49. Depreciación de Activos Fijos - Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.50. Depreciación de Activos Fijos - Movistar . . . . . . . . . . . . . . . 112

XII

ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE DE TABLAS

3.51. Depreciación de Activos Fijos - CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.52. Tasa Mínima Aceptable de Rendimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . 113

3.53. TIR y VAN- Claro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.54. TIR y VAN- Movistar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.55. TIR y VAN- CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.1. Concesionarios de Servicio Móvil Avanzado. . . . . . . . . . . . . . 125

4.2. Bandas asignadas para Claro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.3. Bandas asignadas para Movistar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.4. Bandas asignadas para CNT E.P. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.5. Arreglo Banda 698-960 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.6. Arreglo Banda 1700-2100 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.7. Arreglo Banda 2.5 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.8. Frecuencias para el Despliegue de Sistemas IMT. . . . . . . . . . . . 129

4.9. Link Budget UPLINK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

4.10. Modulaciones en Sistemas LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4.11. Concesiones de Television Codificada Terrestre . . . . . . . . . . . . 155

XIII

INTRODUCCIÓN

Las operadoras de telefonía móvil ademas de ofrecer el servicio de voz, prestan

otros servicios como Internet móvil y otras aplicaciones que tiene una gran aceptación,

aunque las velocidades ofrecidas por los operadores con las tecnologías que actualmen-

te se encuentran implementadas, sus redes no son lo suficientemente rápidas, por lo que

la necesidad de desarrollar equipos y tecnologías que presenten al usuario una mejor

experiencia al momento de utilizar los diferentes servicios es algo imprescindible.

Con el desarrollo de las IMT-Avanzadas por parte de la UIT-R, se ha desarrolla-

do la plataforma en la que se basa los sistemas de cuarta generación, donde destacan

características como las altas velocidades de datos, como respuesta a este planteamien-

to, la 3GPP, a presentado su solución para las IMT-A, se trata del estándar Long Term

Evolution Advanced (LTE-A), el mismo que se estudiará lo largo de esta tesis.

El propósito del presente trabajo es dar a conocer las características del Están-

dar Long Term Evolution Advanced (LTE-A) analizando las modificaciones técnicas

con respecto a su predecesor LTE y presentar propuestas estratégicas para iniciar el

despliegue de este estándar. Se desarrolla un análisis económico para verificar la acep-

tación de nueva tecnología en el sector de los servicios móviles avanzados e incluso

verificar la viabilidad de que los suscriptores cambien drásticamente sus equipos por

aquellos que soportan LTE.

También se presentan los beneficios que pueden obtener los usuarios gracias a

las nuevas prestaciones y el trabajo que debe darse por parte del Estado para asignar el

espectro necesario para la implementación de este estándar.

1

1 LONG TERM EVOLUTION

ADVANCED (LTE-A)

En el presente capítulo se realiza el análisis de la tecnología 4G LTE Advanced

que junto con su antecesor aparece como el sistema móvil que permite obtener una

red móvil con el máximo de aprovechamiento del espectro radio eléctrico, que permite

incluso velocidades pico cercanas a los 1 Gbps en las primeras pruebas en Japón por

parte de la compañía NTT DoCoMo1.

Adicionalmente vale la pena comentar que con LTE y la 4G ( LTE-Advanced) es

posible acercarse aún mas a la integración de redes.

Sin embargo antes de empezar con el análisis de LTE-Advanced, se realizará un

recuento breve de la evolución de las redes móviles, dando a conocer entre otras cosas

la arquitectura, características, mejoras, etc.

1.1. Evolución de las Redes Móviles.

Las redes móviles en los últimos años han tenido un gran desarrollo, si bien en

sus inicios se caracterizaron por brindar únicamente el servicio de voz, hoy en día son

capaces de ofrecer servicios como video, datos, en redes basadas completamente en

el protocolo IP, a continuación presentamos una breve descripción de las diferentes

generaciones de telefonía móvil.

La Primera Generación (1G) de telefonía móvil se caracterizó por ofrecer sola-1Fuente: Xaleka On, http://m.xatakaon.com/tecnologia-de-redes/lte-advanced-la-nueva-tecnologia-

4g-inicia-su-andadura-en-japon

2

1 LONG TERM EVOLUTION ADVANCED (LTE-A)

mente servicios de voz, dentro de las tecnologías desplegadas en esta generación tene-

mos a AMPS (Advanced Mobile Phone System) una tecnología netamente analógica.[33]

La Segunda Generación (2G) de telefonía móvil se caracterizó por ofrecer servi-

cios adicionales como mensajería instantánea, funcionalidad Web y mensajería multi-

media, una de las principales diferencias con 1G es el echo de ser Digital, dentro de las

tecnologías más importante de esa generación tenemos: GSM (Global System for Mo-

bile Communications), IS-136 (conocido también como TIA/EIA-136 o ANSI-136),

CDMA (Code Division Multiple Access) y PDC (Personal Digital Communications).[8,

33]

La Tercera Generación (3G) de telefonía móvil se caracteriza por ofrecer nuevos

servicios multimedia como la vídeo llamada. Las redes móviles 3G están directamen-

te orientadas a trabajar con Internet, entre las tecnologías que forman parte de esta

generación tenemos a UMTS (Universal Mobile Telecommunications System o ser-

vicio universal de telecomunicaciones móviles), ésta tecnología trae mejoras como la

escalabilidad, lo que le ha permitido incorporar la tecnología conocida como HSPA

(Acceso a Paquetes a Alta Velocidad o High Speed Packet Access) en la red de acceso,

tecnología conocida comúnmente como 3.5G.[8]

La Cuarta Generación (4G) de telefonía móvil presenta una red móvil basada

totalmente en IP, permitiendo a los usuario disponer de mayores velocidades de acceso

así como de una mayor convergencia de tecnologías, forman parte de esta generación

LTE-A y IEEE 802.16m.[8]

En la tabla 1.1 se describen y comparan las diferentes generaciones de telefonía

móvil así como sus principales tecnologías desplegadas a nivel mundial. [8]

3


Tabla 1.1: Comparación entre Generaciones de Telefonia Móvil.FUENTE:"Propuesta de requerimientos técnicos para la implementación de redes moviles

con la tecnologia long term evolution (lte) en Costa Rica".

1.1.1. La Cuarta Generación (4G).

La 4G de la telefonía móvil está basada completamente en el protocolo IP, es

decir que todos los datos, incluido la voz se transmite por medio de paquetes, es una

tecnología que puede ser usada por módems inalámbricos, móviles inteligentes y otros

dispositivos móviles. Su principal característica es la capacidad para proveer velocida-

des de acceso mayores de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo.[11]

Los requerimientos para una red 4G son[8]:

Núcleo de red basada totalmente en el protocolo IP, de manera que utilice sola-

mente conmutación de paquetes.

Uso eficiente del espectro radioeléctrico.

Red que permita más usuarios por celda.

Roaming global.

Alta calidad de servicio (QoS).

Compatibilidad con distintos estándares de comunicaciones.

4


En la figura 1.1se muestra el proceso evolutivo de diferentes tecnologías hacia la Cuarta

Generación.

Figura 1.1: Evolución de las tecnologías de acceso móvil.FUENTE:"Propuesta de requerimientos técnicos para la implementación de redes moviles

con la tecnologia long term evolution (lte) en Costa Rica".

1.1.2. Tecnologías de Cuarta Generación

“4G” es el término utilizado para referirse al estándar de Telecomunicaciones

Móviles Internacionales Avanzadas (International Mobile Telecommunications-Advanced

o IMT-A) definido y ratificado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones

(UIT). [1]

En una reunión de Octubre de 2010, el Grupo de Trabajo 5D del Sector de Radio-

comunicaciones de la UIT (UIT-R), que es responsable de definir las tecnologías glo-

bales de 4G IMT-A, completó la evaluación de seis candidatos, de las propuestas, dos

tecnologías, LTE-Advanced y WirelessMAN-Advanced (WiMAX 2 o IEEE 802.16m),

han cumplido satisfactoriamente todos los criterios establecidos por la UIT-R para la

primera versión de las IMT-A, calificándolos como tecnologías 4G.

5


1.2. IMT-Advanced (IMT-A)

IMT-Advanced desarrollado por la UIT-R, consiste en una serie de especificacio-

nes que proporcionan una plataforma mundial en la que se basa la cuarta generación

de servicios móviles.

Los sistemas IMT-A deben admitir aplicaciones de baja y alta movilidad, una

amplia gama de velocidades de datos destinadas a aplicaciones multimedia de elevada

calidad, de conformidad con la demanda de los usuarios y de servicios y lograr mejoras

considerables de funcionamiento y calidad de servicio comparado con IMT-2000. [5]

1.2.1. Beneficios Esenciales

El sector de las radiocomunicaciones UIT-R define las siguientes prestaciones

para IMT-Advanced[47]:

Compatibilidad de servicios dentro de las IMT y las redes fijas.

Interfuncionamiento con sistemas existentes de acceso radioeléctrico.

Alta calidad de servicios móviles.

Aplicaciones, servicios y equipos de fácil utilización

Roaming mundial.

Velocidades de transmisión mejoradas para admitir aplicaciones y servicios avan-

zados.

Todas estas prestaciones hacen que las IMT-A pueden responder a la continua evolu-

ción de las necesidades de los usuarios. [20]

IMT-Advanced ofrece mejoras sobre IMT-2000 entre las principales el incre-

mento de la eficiencia del espectro, una arquitectura basada íntegramente en paquetes,

una gran capacidad para datos inalámbricos de banda ancha, menor latencia, mejor

gestión y control de los recursos radioeléctricos.[20]

6


Con el afán de mantener la interoperabilidad entre IMT-A e IMT-2000 la UIT-

R promueve el uso de ciertas bandas de frecuencias (tabla 1.2) a nivel mundial, con

esto también se alcanzaría roaming global. Esto no a se ha conseguido en su totalidad

debido al uso de ciertas bandas para otros servicios radioeléctricos.[20]

Bandas de frecuencias identificadas para las IMTBanda(MHz) Notas de las regulaciones de Radio identificadas para IMT

450-470 5.286AA698-960 5.313A, 5.317A

1710-2025 5.384A, 5.3882110-2200 5.3882300-2400 5.384A2500-2690 5.384A3400-3600 5430A, 5.432A, 5.4328, 5.433A

Tabla 1.2: Bandas de frecuencia identificadas para IMT. [20]FUENTE: Stephen M. Blust, "Normas de las IMT-Avanzadas para comunicaciones móviles

de banda ancha", ITU News.

IMT-A nace de la necesidad de desarrollar estándares que ofrezcan mayores ve-

locidades de datos, esto debido a que a nivel mundial en los últimos años el trafico

de voz aumenta a un ritmo constante, mientras que el de datos aumenta rápidamente

debido a la amplia gama de dispositivos móviles tales como smartphones y tablets,

este rápido incremento se pudo demostrar gracias a la comparación que realizo la UIT

(figura 1.2) entre las estimaciones de la demanda de tráfico realizadas en 2005 para

el Informe M.2072, con los estudios realizados recientemente, estos muestran que las

previsiones anteriores subestimaron los niveles de datos actuales transmitidos por los

sistemas móviles de banda ancha. Por ejemplo en 2010 el tráfico real de datos superó

en más de cinco veces las estimaciones realizadas para el Informe M.2072. [20]

7


Figura 1.2: Comparación de M.2072 con los datos actuales.FUENTE: Stephen M. Blust, "Normas de las IMT-Avanzadas para comunicaciones móviles

de banda ancha", ITU News.

1.3. Generalidades de LTE-Advanced (LTE-A).

LTE-Advanced (Release2 10) es una evolución de LTE (Release 8), es la pro-

puesta planteada por 3GPP para la cuarta generación (4G) de telefonía móvil, la cual

cumple los requisitos de la UIT para IMT-A.

1.3.1. Características de LTE-A

LTE-A presenta las siguientes características[29]:

LTE-A esta basado en LTE.

Los equipos LTE-A son compatibles con LTE.

Utiliza la técnica de agregación de portadora para lograr anchos de banda de

hasta 100 MHz.

Uso de la tecnología MIMO mejorada para lograr mayores tasas de datos en

Downlink (DL) como en Uplink (UL), y mejorar la eficiencia espectral.

Soporte de Home eNodeB.

Soporte de Relay Nodes (RN).

2Release (Rel.) o Versiones muestran las estructura de los estándares del proyecto 3GPP.

8


Capacidad de VoIP.

Roaming global.

Requisitos que debe cumplir LTE-A para satisfacer los requerimientos del IMT-Advanced

[49, 14, 16, 44]:

Tasa de Datos Pico: Para el enlace descendente una tasa de datos pico de 1 Gbps

y para el enlace ascendente 500 Mbps.[49]

Eficiencia Espectral Pico: Para el enlace descendente con una configuración

de antena 8x8, la eficiencia espectral pico es 30 bps/Hz y para el enlace ascen-

dente con una configuración de antena 4x4 la eficiencia espectral pico es 15

bps/Hz.[49]

Eficiencia espectral promedio: La Eficiencia espectral promedio se define co-

mo el throughput3 agregada de todos los usuarios (el número de bits recibidos

correctamente durante un cierto período de tiempo) normalizada por el ancho

de banda total de la celda, dividida por el número de celdas, estos valores se

representan en la tabla 1.3.[49, 40]

configuración de antena LTE-A [bps/Hz/cell]Uplink 1x2 / 2x4 1.2 / 2

Downlink 2x2 / 4x2 / 4x4 2.4 / 2.6 / 3.7

Tabla 1.3: Eficiencia espectral promedio.FUENTE: ROHDE & SCHWARZ, "Generación y Análisis de Señales LTE-Advanced".

Eficiencia espectral en el borde de la celda: LTE-Advanced permitirá en el

borde de la celda un throughput tan alto como sea posible. El throughput de

usuarios en el borde de la celda, se define como el 5% de la función de densidad

acumulativa (CDF) de la tasa de transferencia efectiva (throughput) de usuario

normalizada con el ancho de banda total de la celda. Los requisitos para el th-

roughput en el borde de la celda se muestra en la tabla 1.4.[49, 14, 40]

3Throughput: Es el nivel de utilización real del enlace, es decir la tasa de transferencia efectiva dedatos a través de un canal

9


configuración de antena LTE-A [bps/Hz/cell/user]Uplink 1x2 / 2x4 0.04 / 0.07

Downlink 2x2 / 4x2 / 4x4 0.07 / 0.09 / 0.12

Tabla 1.4: Throughput de usuario en el borde de la celda.FUENTE: ROHDE & SCHWARZ, "Generación y Análisis de Señales LTE-Advanced".

Movilidad: El sistema será óptimo para velocidades de 0 - 190 km/h, y soportara

velocidades hasta 500 km/h, dependiendo de la banda de operación.[49]

Latencia: La transición desde el modo idle4 a conectado ocurre en 50 ms, mien-

tras si un equipo de usuario (UE) utiliza mecanismos de recepción discontinua5

(DRX) en el modo activo, la transición se da en 10 ms.[14]

Flexibilidad del Espectro: LTE-A trabajará en diferentes bandas de frecuen-

cias, y con diferentes anchos de de banda, hasta 100 MHz, debe soportar modos

de operación FDD y TDD en bandas pareadas y no pareadas. Además LTE-A

consistente con IMT-A se ha centrado en las siguientes bandas para su opera-

ción: 450-470 MHz, 698-862 MHz, 790-862 MHz, 2.3-2.4 GHz, 3.4-4.2 GHz, y

4.4-4.99 GHz. [49]

1.3.2. Arquitectura de la Red LTE-A.

La arquitectura de la red LTE-A se ilustra en la figura 1.3, en esta arquitectura

podemos identificar, el dominio de usuario, la Red de Acceso Radio Terrestre Univer-

sal Mejorada (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network E-UTRAN ) y el

Núcleo de Paquetes Evolucionado de la red denominada EPC (Evolved Packet Core),

la combinación entre E-UTRAN y EPC reciben le nombre de EPS6 (Sistema Evolu-

cionado de Paquetes o Evolved Packet System), la EPS proporciona conectividad IP

entre un equipo de usuario (User Equipment, UE) y un paquete de una red externa de

datos. [16]

4Modo Idle: Modo en el que un móvil no tiene establecida una conexión de control con ningún eNB.5Recepción Discontinua (DRX): Mecanismo en el cual el terminal móvil para ahorrar energía desactiva

la circuitería de recepción.6 EPS: Es una red de paquetes basada en IP

10


Figura 1.3: Arquitectura de la Red LTE-AFUENTE: The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced.

ELABORADO POR: El Autor.

1.3.2.1. Red Troncal EPC.

La red troncal EPC de LTE-A proporcionará un servicio de conectividad IP pa-

ra poder explotar las nuevas capacidades ofrecidas por la red de acceso E-UTRAN.

También la red troncal esta diseñada de manera tal que permita acceder a sus servicios

a través de otras redes de acceso como por ejemplo UTRAN, GERAN, cdma2000,

WiMAX, 802.11.

Como se ilustra en la figura 1.3 EPC esta formado principalmente por las si-

guientes entidades: Packet Data Network Gateway (P-GW), Serving Gateway (S-GW),

Mobility Management Entity (MME), estas entidades junto con la bases de datos prin-

cipal del sistema el HSS (Home Suscriber Server) y la entidad Policy and Charging

Rules Functions (PCRF7) proporcionan la conectividad IP entre los equipos de usua-

rios propios de la red y las redes externas.[35]

Mobility Management Entity (MME).- Es el elemento encargado del plano de7PCRF: Se utiliza para controlar los servicios portadores que ofrece la red

11


control en el EPC, el MME maneja las funciones de seguridad, además utiliza

la información del HSS al cual se conecta mediante la interfaz S6a para la au-

tenticación y autorización de los UEs. La interfaz S10 sirve para intercambiar

información entre entidades MME.

Packet Data Network Gateway (P-GW).- El P-GW se encarga de proveer co-

nectividad entre el EPC y redes externas o plataformas de servicios, mediante el

uso de la interfaz SGi. El P-GW actúa como soporte de movilidad entre redes

3GPP y no 3GPP. También soporta funciones de asignación de direcciones IP a

los UE.

Serving Gateway (S-GW).- Es el elemento del plano de usuario que une la red

de acceso con el núcleo de la red, además mediante la interfaz S1-U provee a los

usuarios del enrutamiento y reenvió de paquetes de datos.

Dentro del EPC las entidades P-GW y S-GW se conectan mediante la interfaz

S5, mientras que la interfaz S11 se utiliza para conectar MME y S-GW. Además la

interfaz Gx sirve de conexión entre el PCRF y P-GW [35, 43].

1.3.2.2. Red de Acceso de Radio E-UTRAN.

La parte central de la red de acceso de radio E-UTRAN es el mejorado nodo B

(Evolved NodeB, eNB), que proporciona la conectividad entre los equipos de usuario

(UE) y el núcleo de la red (EPC). En la figura 1.3, se muestra el EPC y la red de acceso

E-UTRAN de LTE-A. Cada uno de los eNBs es un componente que sirve para una o

varias celdas E-UTRAN.

Para la conexión entre eNBs se utiliza la interfaz X2, a través de esta interfaz se

intercambia el tráfico de usuario durante el proceso de handover8, también puede uti-

lizarse para funciones de la Gestión de Recursos Radioeléctricos (RRM) multicelular

tales como la ICIC9.[42]

Para la conexión al EPC se utilizan la interfaz S1 donde la interfaz S1-U sirve

como soporte del plano de usuario para conectarse a Gateway de Servicios (S-GW), y

8Handover: Es un sistema utilizado para transferir el servicio de una estación base a otra cuando lacalidad del enlace es insuficiente.

9ICIC: Función que se encarga de reducir la interferencia intercelular.

12


la interfaz S1-MME del plano de control para conectarse a la Entidad de Gestión de

Movilidad (MME).

Además, forman parte de la red los Home eNBs (HeNBs, las llamados también

femtoceldas10), que son eNBs de menor costo para mejorar la cobertura en interio-

res, que se conectan a la EPC directamente o a través de una puerta de enlace que

proporciona un apoyo adicional para un gran número de HeNBs. [16]

1.3.2.3. Dominio de Usuario.

El dominio de usuario esta compuesto por los dispositivos que permite a un usua-

rio acceder a los servicios que ofrece la red. A estos dispositivos se los conoce como

equipos de usuario (User Equipment, UE) y se encargan de acceder a la red a través de

una interfaz de radio.[43]

La interfaz Uu, permite la transferencia de información por el canal de radio

entre el eNB y los UEs. El eNB contiene las funciones y protocolos necesarios para el

envío de datos y controlar la interfaz Uu.[43]

Otra interfaz que se muestra en la figura 1.3 es la interfaz de aire Un es una

versión modificada de la Uu que permite la transferencia de información entre un eNB

donante y el nodo de retransmisión (Relay Node RN). [43]

1.3.3. Protocolos de la Interfaz de Radio.

Para el envío de paquetes IP a través de la interfaz de radio entre un eNB y un UE

todo se sustenta en una pila de protocolos (figura 1.4) los mismos que están formadas

por una Capa 3, una capa de enlace ( Capa 2) y una capa física (Capa 1), tanto para el

plano de usuario y control [16, 43].

El plano de usuario.- A través de este plano se produce el envío de la informa-

ción de usuario mediante paquetes IP desde o hacia el UE.

El plano de control.- Encargado del correcto funcionamiento del sistema, esta

destinado a transportar los mensajes de control intercambiados entre la red y el

10Femtocelda: Es una estación base pequeña en tamaño y potencia.

13


terminal móvil.

En el plano de usuario, los protocolos que se incluyen son: Packet Data Convergence

Protocol (PDCP), Radio Link Control (RLC), Medium Access Control (MAC) y Pro-

tocol Physical Layer (PHY). En el plano de control se incluye, además, del protocolo

de Radio Resource Control (RRC), Los protocolo NAS (Non Access Stratum11) que

se soporta entre el UE y el MME. [16].

Figura 1.4: Pila de Protocolos.FUENTE: LTE / LTE-Advanced for Mobile Broadband.

1.3.3.1. Capa 3.

La capa 3 comprende el protocolo de Control de Recursos de Radio (Radio Re-

source Control, RRC).

Radio Resource Control.

El protocolo RRC se encuentra en el tope de la pila de protocolos del access stra-

tum12 (AS), realiza muchas funciones que son indispensables para el funcionamiento

fiable y eficiente de los recursos de radio.

Las principales funciones del protocolo RRC son [46, 43]:

Radiodifusión de la información generada en el denominado Sistema de infor-

mación.

11Non Access Stratum: Estos protocolos se encargan principalmente de la autorización, autenticación,gestión de movilidad y gestión de los servicios portadores de la red EPS

12Access Stratum: Los protocolos AS son los protocolos de acceso de radio entre el UE y E-UTRAN

14


Control de conexión RRC, que implica a todos los procedimientos relacionados

con el establecimiento, configuración, mantenimiento y cierre de una conexión

RRC, entre un UE y el acceso de radio.

Gestión de movilidad entre tecnologías de acceso controladas por la red.

Gestión de los mecanismos de configuración de medidas y de transferencia de

información en el caso de movilidad tanto entre tecnologías radio, como inter e

intra frecuencia.

1.3.3.2. Capa 2

Arquitectura

En la Figura 1.5 (a), (b) se muestra la estructura del protocolo de Capa dos de en-

lace descendente y ascendente respectivamente, la misma que consta de las subcapas:

Control de Acceso al Medio (Medium Access Control, MAC), Control de Enlace de

Radio (Radio Link Control, RLC) y Protocolo de convergencia de datos en paquetes

(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)[37].

Figura 1.5: Arquitectura Capa 2.FUENTE: UIT-R, Recomendación UIT-R M.2012.

La capa 2 provee de uno o varios portadores de radio (radio bearer RB) a las ca-

pas superiores. La subcapa MAC se compone de múltiples entidades HARQ 13(Hybrid

automatic repeat request o Solicitud de repetición automática híbrida), donde se le

13HARQ: Mecanismos de corrección de errores mediante procedimientos de retransmisión basadas enel incremento de redundancia, que se aplica sobre los canales de transporte.

15


asigna una entidad HARQ por CC (component carrier). Es decir, un bloque de trans-

porte es generado para cada CC y la retransmisión HARQ está confinada dentro de

cada CC. Los PDU (Protocol Data Unit o Unidad de datos de protocolo) MAC llama-

das también como bloques de transporte se envían hacia las capa física a través de uno

o varios canales de transporte.[42]

Las subcapas RLC y PDCP, por su parte, consistirá en una entidad RLC y PDCP

por portadora de radio, la misma que en Rel. 8.

Los canales utilizados para la interrelación entre los diferentes protocolos son

los siguientes:[43]

Canales Lógicos que se establecen entre la capa RLC y la Capa MAC.

Canales de Transporte, que se establecen entre la capa MAC y la capa física.

Canales Físicos, son los que implementan mecanismos de transmisión y recep-

ción a través del medio radioeléctrico.

Protocolo de convergencia de paquetes de datos (PDCP)

El protocolo de convergencia de paquetes de datos (PDCP), se encarga de efec-

tuar:

En el plano del usuario[43]:

• La compresión y descompresión del encabezamiento de los flujos de datos

IP que llegan al eNB mediante ROCH14.

• La transferencia de datos de usuario.

• El mantenimiento de los números de secuencia15 (SN) del cabecera PDCP.

• La entrega en secuencia de las PDU de la capa superior en el procedimien-

to de restablecimiento del PDCP para RLC en modo con acuse de recibo

(AM).

14Robust Header Compresison: Es un es un esquema de compresión de cabeceras UDP/TCP-IP15Numero de Secuencia: Es un identificador de paquetes IP que se añade en la cabecera PDCP.

16


• La detección duplicada de paquetes RLC en el momento de que realice

movilidad entre eNBs.

• La retransmisión de las SDU (Service Data Unit o Unidad de Datos de

Servicio) PDCP en el traspaso para RLC AM.

• El cifrado y el descifrado de datos para evitar que la información transmi-

tida pueda pueda ser leída por terceros.

En el plano de control[43]:

• El mantenimiento de los números de secuencia (SN) del PDCP.

• La verificación y protección de la integridad y cifrado.

• La transferencia de los datos del plano de control.

El PDCP utiliza los servicios proporcionados por la subcapa RLC. Hay una entidad

PDCP por cada RB configurado para un UE.

Control de Enlace de Radio (RLC)

La subcapa RLC permite enviar de forma segura los paquetes PDCP entre el eNB

y el UE, puede funcionar en tres modos distintos[43, 42] :

Modo transparente (TM), el RLC es totalmente transparente, la subcapa RLC

entrega directamente a la subcapa MAC los RLC_SDU recibidos de las capas

superiores sin añadir ningún tipo de cabecera.

Modo sin acuse de recibo (UM), se utiliza cuando no es necesaria la entrega

sin errores, en este modo se detecta si los paquetes SDU_RLC recibidos contie-

nen errores, pero no implementa mecanismos de retransmisión. También realiza

funciones de segmentación y reensamblado, para ello utiliza un campo de la

cabecera RLC denominado numero de secuencia SN.

Modo con acuse de recibo (AM), en este modo de operación el RLC ofrece

funciones de segmentación y reensamblado, ordenación de los SDU_RLC y la

retransmisión de los datos erróneos.

El Control de Enlace de Radio (RLC) se encarga de[43, 42] :

17


La transferencia de las PDU de la capa superior.

La corrección de errores mediante ARQ en AM.

La concatenación, segmentación y reensamblaje de las SDU del RLC en la trans-

ferencia datos UM y AM.

La resegmentación de las PDU de datos del RLC en la transferencia de datos en

AM.

La reordenación de las PDU de datos RLC en la transferencia de datos en UM y

AM.

La detección de duplicados en UM y AM.

El RLC ofrece servicios al PDCP en forma de portadores de radio y utiliza servicios

de la capa MAC en forma de canales lógicos. En cada terminal sólo hay configurada

una entidad RLC por portador de radio.

Control de acceso al medio (MAC)

La capa MAC controla el acceso al canal de radio, y se encarga de[43, 42] :

La multiplexación/demultiplexación de las SDU_MAC pertenecientes a uno o

varios canales lógicos en/de bloques de transporte entregados a/por la capa física

de los canales de transporte.

La corrección de errores mediante HARQ, es un mecanismo de retransmisión

que se aplica a los canales de transporte.

El manejo de prioridades entre los canales lógicos del UE.

El manejo de prioridades entre los diversos UE.

La asignación de prioridades a los canales lógicos.

La selección del formato de transporte.

La capa MAC ofrece servicios a RLC a través de canales lógicos, estos se dividen en

dos grupos: [43, 42]

18


Canales Lógicos de Control.

• El canal de control de difusión (Broadcast Control Channel, BCCH), utili-

zado por los eNBs para transmitir a los UEs información del sistema.

• El canal de control de radiobúsqueda (Paging Control Channel, PCCH),

canal utilizado por los eNBs para la radiobúsqueda cuando la red desconoce

la posición del UE.

• El canal de control común (Common Control Channel, CCCH), que se

utiliza para la transmisión de la información de control entre el UE y eNB

cuando el UE no tiene conexión RRC.

• El canal de control dedicado (Dedicated Control Channel, DCCH), que se

utiliza para la transmisión de la información de control entre un eNB y un

terminal móvil cuando el UE tiene una conexión RRC.

• El canal de control multidifusión (Multicast Control Channel, MCCH), que

se utiliza para la transmisión de la información de control desde el eNB a

un grupo de usuarios.

Canales Lógicos de Tráfico.

• El canal de tráfico dedicado (Dedicated Traffic Channel, DTCH), que se

utiliza para la transmisión de los datos de usuarios entre un eNB y UE

determinado.

• El canal de tráfico de multidifusión (Multicast Traffic Channel, MTCH),

que se utiliza para la transmisión de información desde un eNB a un grupo

de usuarios.

La capa MAC utiliza servicios de la capa física a través de canales de transporte.

Se definen los siguientes tipos de canal de transporte[43, 42]:

Enlace Descendente.

• El canal de difusión (Broadcast Channel, BCH), este canal de transporte se

utiliza para transmisión de partes de la información del sistema BCCH, y

se trasmite en toda el área de cobertura del eNB .

19


• El canal de radiobúsqueda (Paging Channel, PCH), este canal permite la

asignación dinámica de recursos y se transmite en toda el área de cobertura

del eNB.

• El canal compartido del enlace descendente (Downlink Shared Channel,

DL-SCH), es un canal de transporte utilizado para la transmisión de datos

del enlace descendente en la LTE-A. Soporta la adaptación de velocidad

dinámica y la planificación dependiente del canal, soporta mecanismos de

retransmisión HARQ. También soporta DRX para reducir el consumo de

energía del terminal móvil.

• El canal multidifusión (Multicast Channel, MCH), es un canal que se trans-

mite en toda el área de cobertura de un eNB, y facilita la implementación

de redes isofrecuenciales16.

Enlace Ascendente.

• El canal compartido del enlace ascendente (Uplink Shared Channel, UL-

SCH), que es el homólogo del DL-SCH en el enlace ascendente, es decir

es el canal de transporte del enlace ascendente que se utiliza para la trans-

misión de datos del enlace ascendente.

1.3.3.3. La Capa Física.

La capa física se encarga de[43, 42]:

Modular y demodular los canales físicos.

Detectar errores en el canal de transporte e indicárselo a las capas superiores.

Codificar y decodificar los canales de transporte con corrección de errores en

recepción.

Ajustar la velocidad del canal de transporte codificado a los canales físicos.

Efectuar la ponderación en potencia de los canales físicos.

Efectuar el procesamiento y la conformación de los haces de las diversas antenas.

Medir las características e indicárselo a las capas superiores.16Redes Isofrecuenciales: Redes donde la misma información es entregada a diferentes usuarios

20


Canales físicos

En el enlace descendente se definen los siguientes canales físicos[43, 42]:

• El canal físico compartido del enlace descendente (Physical Downlink Sha-

red Channel, PDSCH), que se utiliza para la transmisión de información

de usuario, contiene la información entregada por la capa MAC mediante

el canal de transporte DL-SCH, ademas transporta información de aviso

(PCH), este canal se asigna únicamente cuando un usuario tiene algo que

recibir.

• El canal físico multidifusión (Physical Multicast Channel, PMCH), que se

utiliza para la transmisión de los servicios de difusión del plano de usuario

y de control en redes isofrecuenciales.

• El canal físico de control del enlace descendente (Physical Downlink Con-

trol Channel, PDCCH), que se utiliza para transportar información de con-

trol tal como la atribución de recursos, formato de transporte e información

relativa a los mecanismos de retransmisión HARQ.

• El canal físico de difusión (Physical Broadcast Channel, PBCH), que se

utiliza para transportar información específica del sistema. El denominado

MIB17.

• El canal físico del indicador de formato de control (Physical Control For-

mat Indicator Channel, PCFICH), que indica al UE el formato de control

(número de símbolos que comprenden PDCCH y PHICH) de la subtrama

actual.

• El canal físico indicador de ARQ Híbrida (Physical Hybrid ARQ Indicator

Channel, PHICH), que transporta la información de los reconocimientos

(ACK/NAK18) para implementar mecanismos HARQ correspondiente a las

transmisiones del UL.

En el enlace ascendente se definen los siguientes canales físicos[43, 42]:

17Master Information Block (MIB): Transmite parámetros fundamentales para permitir el acceso inicialdel móvil a la red

18ACK/NAK: Son protocolos de corrección de errores.

21


• El canal físico de acceso aleatorio (Physical Random Access Channel,

PRACH), que transporta un preámbulo utilizado para activar un procedi-

miento de acceso aleatorio en el eNB.

• El canal físico compartido del enlace ascendente (Physical Uplink Shared

Channel, PUSCH), canal por el que se transportan datos de usuario, se

transmite usando señales SC-FDMA.

• El canal físico de control del enlace ascendente (Physical Uplink Control

Channel, PUCCH), canal que transporta información de control (peticiones

de planificación para el PDSCH).

La correspondencia entre los canales lógicos, los canales de transporte y los canales fí-

sicos, se ilustra en la Figura 1.6 (a) para el enlace descendente y (b) para el ascendente.

Figura 1.6: (a) Canal Descendente y (b) Canal Ascendente.FUENTE: UIT-R, Recomendación UIT-R M.2012.

1.3.4. Esquemas Dúplex.

LTE-A puede funcionar tanto en duplexación por división de frecuencia (Frequency-

division duplexing, FDD) como en duplexación por división de tiempo (Time-division

duplexing, TDD). Los sistemas basados en FDD emplean canales pareados para las

transmisiones de enlace ascendente y de enlace descendente. [49]

Hoy en día el tráfico de datos contribuye a la mayor parte del volumen total de

tráfico. Este tráfico de datos es generalmente asimétrico en el enlace descendente y el

enlace ascendente y requiere una cantidad diferente de recursos en las dos direcciones.

TDD ha atraído mucho interés, debido a que permite a las transmisiones de enlace

ascendente y de enlace descendente compartir el mismo canal en diferentes tiempos

22


y por lo tanto se puede adaptar de acuerdo con el estado del tráfico. Un sistema FDD

con canales pares de enlace ascendente / descendente se representa en la figura 1.7 (a),

mientras que un sistema TDD se muestra en la figura 1.7 (b), con enlace ascendente /

descendente separados en el dominio del tiempo. [49]

Figura 1.7: Estructura FDD y TDD.FUENTE: UIT-R, Recomendación UIT-R M.2012.

En el caso del funcionamiento con FDD , hay dos frecuencias de portadora para

cada componente portadora, una para la transmisión por el enlace ascendente ( fUL) y

otra para la transmisión por el enlace descendente ( fDL). Cada trama tiene por consi-

guiente diez subtramas para el enlace ascendente y diez para el enlace descendente de

modo que las transmisiones por el enlace ascendente y el descendente pueden tener

lugar simultáneamente dentro de una celda. [49]

En el caso de funcionamiento con TDD, sólo hay una frecuencia de portadora por

componente portadora y las transmisiones por el enlace ascendente y el descendente

siempre están separadas en el tiempo para cada celda.[49]

1.3.4.1. Estructura de Trama

A continuación se describe los tipos de las estructuras de las tramas del sistema

LTE-A.

Estructura de Trama Tipo 1

Esta estructura es utilizada en sistemas que utilizan FDD y aplica tanto al enlace

descendente como al ascendente. En esta estructura el eje temporal se divide en tramas

de 10 ms, cada trama consta de diez subtramas de idéntico tamaño con una longitud de

23


1 ms, a su vez cada subtrama consta de dos intervalos del mismo tamaño y longitud de

0,5 ms llamados Slots o TS (figura 1.8).[42]

Figura 1.8: Trama FDD.FUENTE: UIT-R, Recomendación UIT-R M.2012.

En cada ranura temporal (TS) se transmiten 6 o 7 símbolos OFDM cada uno de

ellos de duración Ts= 66,7µs. En el caso de utilizar 7 símbolos, el Prefijo Cíclico19

(CP), denominado prefijo cíclico normal, tiene una duración de 4,7µs, salvo para el

primer símbolo que tiene un prefijo cíclico de 5,2µs. Si se utilizan 6 símbolos por

ranura temporal entonces el prefijo cíclico, que a partir de ahora denominaremos prefijo

cíclico ampliado, tiene una duración de 16,67µs.[43]

Estructura de Trama Tipo 2

Al operar en modo TDD la estructura de la trama se diferencia a FDD, en la

figura 1.9 se muestra la estructura de la trama. En este caso el eje temporal se divide en

tramas de 10 ms. Cada trama a su vez está compuesta por 10 subtramas, cada una de

duración 1 ms. En este caso algunas subtramas están atribuidas a las transmisiones por

el enlace ascendente mientras que otras lo están a las transmisiones por el enlace des-

cendente, produciéndose la conmutación entre los enlaces ascendente y descendente

en la subtrama especial.

19Prefijo Cílcico: Técnica utilizada para eliminar la interferencia intersimbólica.

24


Figura 1.9: Trama TDD.FUENTE: UIT-R, Recomendación UIT-R M.2012.

La subtrama especial se divide en tres partes: una parte para el enlace descen-

dente (DwPTS), un periodo de guarda (GP) en el que se efectúa la conmutación, y una

parte para el enlace ascendente (UpPTS). La DwPTS se trata básicamente como una

subtrama ordinaria del enlace descendente, aunque se pueden transmitir menos datos

debido a que la longitud de la DwPTS es menor. La UpPTS puede utilizarse para el

sondeo del canal o el acceso aleatorio. La DwPTS, el GP y la UpPTS tienen longitudes

individuales configurables para soportar distintos escenarios de implantación, y una

longitud total de 1 ms.[43]

1.3.5. Agregación de Portadoras (Carrier Aggregation, CA)

LTE-A.

Para lograr una transición sin tropiezos de LTE a LTE-A, es deseable que la

interfaz inalámbrica tenga compatibilidad con ambas versiones dentro de la misma

banda, Con este fin, LTE-A admite el incremento de ancho de banda hasta un máximo

de 100 MHz utilizando CA (figura 1.10 ). CA es un método para lograr el incremento

del ancho de banda mediante la disposición de bloques básicos de frecuencia llamados

(Component Carriers) CCs sobre el eje de frecuencia. Aquí, el ancho de banda de cada

CC es un ancho de banda soportado por LTE para mantener la compatibilidad. [12]

Figura 1.10: Incremento del Ancho de Banda con CA.ELABORADO POR: El Autor.

Para la agregación de portadoras tenemos tres configuraciones.[16]

Agregación de portadoras en ancho de banda contiguo.

25


Agregación de portadoras en ancho de banda no contiguo, única banda.

Agregación de Portadoras en ancho de banda no contiguo, múltiples bandas.

En la figura 1.11 se observa Agregación de portadoras en ancho de banda contiguo

donde se asigna al usuario de LTE-A un grupo contiguo de CCs. [16]

Figura 1.11: Agregación de portadoras en ancho de banda contiguo.FUENTE: The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced.

En la figura 1.12 se observa la configuración de Agregación de portadoras en

ancho de banda no contiguo, en única banda, donde no existen componentes portadoras

contiguas por lo que el ancho de banda requerido para un usuario LTE-A se obtiene

sumando CCs que se encuentran dispersos entre si.[16]

Figura 1.12: Agregación de portadoras en ancho de banda no contiguo, única banda.FUENTE: The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced.

En la figura 1.13 se observa la configuración de Agregación de Portadoras en

ancho de banda no contiguo, múltiples bandas, en este caso al no existir la cantidad

de CCs en cierta banda para lograr el ancho de banda requerido para LTE-A se puede

utilizar CCs de otra banda.[16]

26


Figura 1.13: Agregación de Portadoras en ancho de banda no contiguo, múltiplesbandas.FUENTE: The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced.

1.3.5.1. Usos de Agregación de Portadoras (CA)

En la Figura 1.14 se muestra algunos ejemplos del uso de CA. (figura 1.14 (a))

muestra una configuración que asigna una banda contigua y proporciona una cobertura

idéntica usando múltiples CCs, (figura 1.14 ( b)) se puede considerar una configura-

ción que utiliza CCs de frecuencias muy diferentes resultando en cobertura diferente

entre los CCs, (figura 1.14 (c)) una configuración en la que los sectores de un cierto

CC están orientadas hacia los límites de los sectores de los otros CCs, y (figura 1.14

(d)) una configuración que asegura macro cobertura con una frecuencia determinada

(normalmente una frecuencia baja) y mediante el uso de unidades RRH (Remote Radio

Head) con otra frecuencia (por lo general una alta frecuencia), se absorbe el trafico en

lugares específicos . [12]

27


Figura 1.14: Escenarios de Uso de CA.FUENTE: The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced.

1.3.6. Esquemas de Acceso Múltiple.

LTE-A para aprovechar de mejor manera los recursos de radio disponibles y lo-

grar altas velocidades de transmisión, adopta dos técnicas de acceso múltiple, OFDMA

para el enlace descendente, y SC-FDMA para el enlace ascendente.

1.3.6.1. Acceso de Radio en Enlace Descendente.

Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (Orthogonal Frecuency

Division Multiple Access OFDMA) es una técnica de acceso, que surge a partir de

OFDM (Figura 1.15) en la que una señal de banda ancha es dividida en subportadoras,

la ventaja que OFDMA ofrece es que las subportadoras pueden traslaparse sin afectar

a la información debido a que son matemáticamente ortogonales logrando con esto un

uso mas eficiente del espectro.[43]

28


Figura 1.15: Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM).ELABORADO POR: El Autor.

LTE-A utiliza para el enlace descendente OFDMA (figura 1.16) que es adecuado

para alcanzar velocidades máximas de datos. OFDMA para obtener un uso mas eficien-

te del espectro utiliza la técnica de scheduling de paquetes (Figura 1.17) que permite

la asignación de subportadoras a usuarios en forma dinámica. El scheduling tanto para

el enlace ascendente como para el enlace descendente, se ubica en el eNB.[43]

Figura 1.16: Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales.FUENTE: Advanced Technologies and Related Issues for 3GPP LTE-A

29


Figura 1.17: Scheduling de Paquetes.FUENTE: LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles.

La implementación de OFDMA en la capa física presenta complicaciones debido al

incremento de la Relación Potencia Instantánea-Potencia Media (Peak-to-Average Po-

wer Ratio, PAPR) a medida que se incrementa el numero de subportadoras que se

utilizan. Un PAPR20 alto se traduce en una eficiencia reducida, debido a que se requie-

re amplificadores de potencia altamente lineales para evitar distorsiones debido a la

intermodulación21.[43]

En la figura 1.18 se observa el esquema de acceso OFDMA la cual muestra las

etapas por la cual atraviesa la señal. En la etapa de transmisión los bits a ser trasmitidos

pasan por un conversor serie-paralelo, luego los símbolos se mapean, es decir, asignar

a una subportadora distinta.

Los símbolos resultantes del mapeo pasan por un bloque que realiza una Trans-

formada Inversa de Fourier Discreat (IDFT) para pasar la señal al dominio del tiempo,

se pasa nuevamente la señal a serie y se le agrega el prefijo cíclico para evitar la inter-

ferencia intersimbolica (intersymbol interference, ISI), finalmente las muestras pasan

por un convertidor D/A para ser transmitidas por el canal de radio, en la etapa de re-

cepción se hace los mismos procedimientos que la transmisión pero contrarios.

20PAPR: Mide la relación entre la potencia instantánea de la señal transmitida respecto de la potenciamedia.[43]

21Intermodulación: Es la modulación de amplitud no deseada de señales

30


Figura 1.18: Esquema Transmisor-Receptor OFDMA.FUENTE: AN INTRODUCTION TO LTE, LTE-Advanced, SAE and 4G Mobile

Communications.

1.3.6.2. Acceso de Radio en Enlace Ascendente.

El acceso de radio utilizado en LTE-A para el enlace ascendente es Acceso Múl-

tiple por División de Frecuencias de Única Portadora (SC-FDMA) (figura 1.19), con

esta técnica se consigue un PAPR reducido en comparación con OFDMA debido al

uso de una portadora única. Este esquema de acceso permite a los terminales móviles

alargar la duración de sus batería gracias al uso de amplificadores de potencia mas

eficientes.[43]

31


Figura 1.19: SC-FDMA.FUENTE: Advanced Technologies and Related Issues for 3GPP LTE-A

LTE-A para mantener compatibilidad con versiones anteriores presenta dos es-

cenarios de operación, el primer escenario para el caso de Portadora Única (Single

Carrier SC), se ha desarrollado la técnica de Clustered DFT-S-OFDM (Discrete Fou-

rier Transform Spread OFDM) esto se da a nivel Intra-CC, y el segundo para el caso

de Agregación de Portadoras (Carrier Aggregation CA), se ha desarrollado la técnica

N-DFT-S-OFDM a nivel Iter-CC.

Clustered DFT-S-OFDM

Clustered DFT-S-OFDMA es un sistema que permite a los UEs transmitir en

clusters de Bloques de Recursos Físicos22 (PBR) no contiguos (figura 1.20).

Figura 1.20: (a) Asignación Contigua de RB, (b) asignación no-contigua.FUENTE: LTE-Advanced Air Interface Technology.

22Bloque de Recursos Físicos: es el mínimo elemento de información que puede ser asignado a un UEpor parte de un eNB.

32


N-DFT-S-OFDM

Este esquema fue adoptado para el escenario de Agregación de Portadoras (CA),

donde N significa el numero de CC utilizados para la transmisión la cual se realiza de

forma paralela, esto da lugar a que exista un DFT (Trasformada de Fourier Discreta)

y una Bloque de Transporte por CC , con esto se consigue una relación PAPR mucho

menor en comparación a la del sistema OFDMA (Figura 1.21) [?].

Para mantener la compatibilidad con LTE Rel. 8 un canal de control de enlace

ascendente físico (Physical Uplink Control Channel) (PUCCH) se multiplexa en ambos

extremos de cada uno de los CCs,

Figura 1.21: N-DFT-S-OFDM.FUENTE: LTE-Advanced Air Interface Technology.

En la figura 1.22 se observa el esquema del transmisor-receptor DFT-S-OFDM

el cual es similar al de OFDMA.

Los bits a ser transmitidos se modulan digitalmente, luego mediante la adición

de un bloque DFT que es la diferencia con OFDMA, los símbolos a ser transmitidos

se precodifican, con lo que se consigue reducir las variaciones en la potencia instantá-

nea, luego las muestras se mapean en las subportadoras, todo esto en el domino de la

frecuencia.

Los símbolos resultantes del mapeo pasan por un bloque IDFT que convierte los

símbolo del dominio frecuencial al dominio del tiempo. Posteriormente se le añade

un prefijo cíclico (CP) que copiará una porción de las muestras del final del bloque

al principio de éste, el prefijo cíclico permite mantener la ortogonalidad frecuencial.

Finalmente las muestras pasan por un convertidor D/A para ser transmitidas por el

canal de radio.

33


En el receptor se realiza un proceso inverso al del transmisor.

Figura 1.22: Esquema Transmisor-Receptor DFT-S-OFDM.FUENTE: AN INTRODUCTION TO LTE, LTE-Advanced, SAE and 4G Mobile

Communications.

1.3.7. MIMO Mejorado .

En los sistemas celulares actuales MIMO23[49] es una técnica en la que se utiliza

una configuración de múltiples antenas inteligentes tanto en el transmisor como en el

receptor, logrando con esto aumentar la eficiencia espectral y la tasa de datos de la

transmisión inalámbrica. [49]

El MIMO mejorado es considerado como uno de los principales aspectos de

LTE-Advanced, que permite al sistema cumplir con los requisitos de velocidad del

IMT-A establecidas por la UIT-R.

23MIMO: Multiple-Input Multiple-Output

34


En LTE-A se ha previsto configuraciones MIMO 8x8 en DL y 4x4 en UL como

se observa en la figura 1.23.

Figura 1.23: Dirección (a) DL y (b) ULELABORADO POR: El Autor.

LTE-A soporta en el DL y UL, MIMO adaptativo (Figura 1.24). LTE-A utiliza

MIMO adaptativo para dar cabida a la demanda de mayores velocidades de datos y

mayor cobertura. [49]

Figura 1.24: LTE-Advanced principales modos MIMO.FUENTE: The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced.

Único Usuario MIMO (Single User, SU-MIMO): Utiliza la tecnología MIMO

para incrementa la tasa de datos para un único usuario.

Multiusuario MIMO (MU-MIMO): MU-MIMO permite que múltiples termi-

nales móviles puedan acceder a un sistema mejorando las capacidades de co-

municación de cada terminal, con lo que se logra aumentar la capacidad de la

35


celda.

MIMO Cooperativo: MIMO Cooperativo permite mejorar la calidad de la señal

de los terminales móviles que se encuentran en el borde de las celdas utilizando

la técnica CoMP (Cooperative Multipoint), aumenta la eficiencia espectral en

más del doble.

A la trasmisión que se da entre un entre un solo eNB y uno o múltiples UEs se lo

conoce como Single-Site MIMO, por lo tanto SU-MIMO y MU-MIMO forman parte

de este grupo. Mientras que MIMO Cooperativo, forma parte del grupo denominado

Multi-Site MIMO, que permite mejorar el rendimiento en el borde las celdas mediante

la cooperación de varios eNB hacia un mismo UE.

El rendimiento de las diversas técnicas MIMO se basa en los siguientes enfoques:

Conformación de haz (beamforming).- Los transmisores compuestos de múl-

tiples antenas, y en base a la información del canal, realizan una precodificación de los

datos a transmitir ajustando las ganancias y desfases de las señales transmitidas por

cada antena. Logrando la máxima potencia posible en el receptor con mínima interfe-

rencia sobre otros receptores. Mediante el uso de múltiples flujos de datos, se puede

optimizar para varias antenas. [31]

Diversidad espacial .- La idea básica de la diversidad es disponer de más de una

versión de la señal original en el receptor, con esto se consigue mejorar la fiabilidad del

enlace. La diversidad espacial consiste en situar varias antenas en el receptor como en

el transmisor, las señales que viajan entre las antenas deben encontrase suficientemente

separadas para garantizar que la propagación sea independiente.[12]

Multiplexación espacial .- Divide un stream de alta tasa en varios streams de

menor tasa transmitidos por distintas antenas. Si el multitrayecto es suficiente las se-

ñales llegarán a cada antena con cierta firma espacial que el receptor podrá separar y

con ello recuperar la señal de interés. El número de streams está limitado por la enti-

dad que tiene menor número de antenas. La multiplexación espacial permite obtener

mayores velocidades de datos.

36


La figura 1.25 muestra una combinación de los enfoques antes mencionados.[12]

Figura 1.25: Combinación de Beamforming, Multiplexación y Diversidad Espacial.FUENTE: The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced.

Con la combinación de Beamformig, Diversidad y Multiplexación espacial se

consigue mejorar simultáneamente el alcance de la transmisión, obtener mayores ve-

locidades de datos y mejorar la eficiencia espectral.

1.3.7.1. Múltiples puntos de transmisión y recepción coordinados (CoMP).

LTE-A implementa CoMP como una herramienta para mejorar la cobertura de

los dispositivos que se encuentran en los bordes de las ce

universidad politÉcnica salesiana sede cuenca … · long term evolution advanced (lte-a)...

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