Introduccion al sistema de telefonia movil LTE

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Introducción al
sistema de
telefonía móvil
LTE

ii
Introducción al sistema de telefonía móvil LTE
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iii
Ilustratis es una empresa de formación para ingenieros, técnicos y otras profesiones
(biólogos, ambientólogos, etc.) constituida por profesionales de la ingeniería con
experiencia práctica en formación presencial y
teleformación. Somos un grupo de expertos provenientes
de distintas áreas de especialidad (energías limpias y
renovables, medio ambiente, telecomunicaciones,
tecnologías de la información, etc.) con experiencia en la
formación profesional presencial y online. Nuestra experiencia tanto en el sector
técnico como en el docente es una garantía de aprendizaje para los alumnos de
Ilustratis.
La aproximación a las materias desde Ilustratis es fundamentalmente práctica, con las
bases teóricas necesarias para alcanzar cualquier conocimiento permanente y en
evolución. La metodología de enseñanza se fundamenta en los principios de
“aprender haciendo”, relacionando los nuevos conocimientos con los ya adquiridos o
presentes en el alumno, a través de una enseñanza personalizada. De esta manera se
establece una base de conocimientos con la debida fortaleza y proyección, para que el
alumno se convierta en un profesional que aporte
valor en las empresas y en su quehacer diario. En
Ilustratis ofrecemos:
 La experiencia profesional y docente de nuestros profesores.
 Una metodología flexible, adaptada a la materia y al alumno, apoyada en las
nuevas tecnologías LMS (Learning Management System) constituidas en la nube.
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NUESTROS VALORES
¿QUIÉNES SOMOS?

iv
En el curso “Introducción al sistema de telefonía móvil LTE” se expone la tecnología
móvil de nueva generación LTE, un estándar mundial que comenzó su explotación
comercial en España en verano - otoño de 2013 por parte de los principales operadores
móviles españoles.
En primer lugar, se recopilan los porqués del
desarrollo e implementación de una nueva tecnología
que supera la actualmente implantada UMTS (3G),
dentro de un contexto de evolución global de las
diversas tecnologías existentes. Por lo tanto se
explican los requisitos que LTE debía cumplir en el momento de su desarrollo para
lograr metas tecnológicas que superaban con ambición los presentes en la tecnología
UMTS. Se presenta someramente la tecnología que es evolución del sistema LTE, el
sistema LTE-Advanced, indicándose sus principales características; también se
introducen los aspectos regulatorios, de espectro y sobre estándares del sistema.
Para comprender el sistema LTE es necesario conocer ciertos aspectos del canal radio
que son explicados en el curso, así como las nuevas tecnologías de modulación y
multiplexación espacial presentes en el sistema. Una vez conocidos los aspectos
básicos, se explica la arquitectura global del sistema, mediante un esquema de bloques
a través de los interfaces presentes y los protocolos del sistema. Esta arquitectura da
soporte a nuevos servicios con calidad de servicio, a voz en modo paquetes, etc., a los
que también nos aproximaremos, antes de explicar la arquitectura radio del sistema
propiamente dicha, con sus distintas capas de protocolos y canales de servicio y tráfico.
Para terminar se introducen en el curso algunos aspectos que es necesario conocer
para plantear una planificación de capacidad y cobertura del sistema.
El nivel del curso parte de unos conocimientos bajos
o medios en radiocomunicaciones y en conceptos
genéricos de comunicaciones móviles para alcanzar
unos conocimientos sobre la tecnología LTE de nivel medio. Este curso pues tiene como
objetivo conocer la tecnología LTE con la suficiente profundidad y claridad como para
que el alumno pueda, a partir de estas bases, profundizar en un futuro en sus
conocimientos sobre temas más concretos del sistema LTE a la vez que permite, al
aprobar el curso, un uso profesional de estos conocimientos desde el primer instante.
Introducción al curso
INTRODUCCIÓN AL
SISTEMA DE
TELEFONÍA MÓVIL LTE
¿A QUIÉN VA DIRIGIDO?

v
Unidad 1. Introducción a la tecnología LTE
Contexto
Objetivos de LTE
Evolución desde 3.5G
Evolución hacia LTE-A
Estándares
Aspectos regulatorios y de espectro
Unidad 2. Tecnologías subyacentes
Introducción a las nuevas tecnologías incorporadas en LTE
Efectos presentes en el canal radio
Tecnologías multiportadora
Tecnologías multiantena: MIMO
Unidad 3. Arquitectura del sistema LTE
Arquitectura general
Interfaces
Protocolos
Servicio portador EPS
QoS en EPS
Seguridad
Arquitectura multimedia IP: IMS
Unidad 4. Arquitectura E-UTRAN
Canales presentes
Capa física
Estructura tiempo – frecuencia de la capa física
Señales operativas de la capa física
Canales físicos
Unidad 5. Planificación
Planificación de usuarios (scheduling)
Capacidad y cobertura limitadas por interferencias
Modelos de propagación de banda estrecha
Contenidos

vi
1. Agilent Technologies. "Concepts of orthogonal frequency division multiplexing
(OFDM) and 802.11 WLAN”.
http://wireless.agilent.com/wireless/helpfiles/89600B/WebHelp/Subsystems/
wlan-ofdm/Content/ofdm_basicprinciplesoverview.htm
2. Agustí, R. et al. (2010). “LTE: nuevas tendencias en comunicaciones móviles”. Ed.
Fundación Vodafone España.
3. Babkin, A. et al. “LTE network throughput estimation”. Universidad Bonch-
Bruevich, San Petersburgo.
4. Hernando Rábanos, J. M. (2004). “Comunicaciones móviles”. 2ª edición. Ed. Cen-
tro de estudios Ramón Areces.
5. Holma, H. y Toskala, A. (2009). ”LTE for UMTS, OFDMA and SC-FDMA based radio
access”. Ed. Wiley.
6. Huawi. (2013). “White paper on spectrum”.
7. Kosta, C. “Flexible soft frequency reuse schemes for heterogeneous networks
(macrocell and femtocell)”. CCSR, Universidad de Surrey.
8. Sesia, S. et al. (2011). “LTE, the UMTS long term evolution. From theory to prac-
tice. Ed. Wiley.
9. “3GPP LTE – Evolved UTRA – Radio interface concepts – Downlink, OFDMA Trans-
mission scheme”. Universidad de Colorado.
http://ecee.colorado.edu/~ecen4242/LTE/radio.htm
Bibliografía

vii
3GPP 3rd Generation Partnetship Project
ACM Adaptative Coding and Modulation
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
AM Acknowledge Mode
AMBR Aggregated Maximum Bit Rate
APN Access Point Name
ARP Allocation and Retention Priority
ARQ Automatic Repeat Request
AS Access Stratum
BCCH Broadcast Control Channel
BCH Broadcast Channel
BER Bit Error Rate
BLER Block Error Ratio
BSC Base Station Controller
BTS Base Transceiver Station
BW Band Width
CCCH Common Control Channel
CCE Control Channel Elements
CDMA Code Division Multiple Access
CFI Channel Format Indicator
CNAF Cuadro Nacional de Atribución de
Frecuencias
CoMP Coordinated MultiPoint
CP Cyclic Prefix
CS Circuit Switched
CSCF Call Session Control Function
CSFB Circuit Switched Fallback
CSIT Channel State Information in the
Transmitter
DAB Digital Audio Broadcasting
DCCH Dedicated Control Channel
DCI Downlink Control Information
DFT Discrete Fourier Transform
DL UpLink
DL-SCH Downlink Shared Channel
DMRS Demodulation Reference Signal
DNS Domain Name Server
DRX Discontinuous Reception
DSP Digital Signal Processing
DTCH Dedicated Traffic Channel
EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPC Evolved Packet Core
EPS Evolved Packet System
E-RAB E-UTRAN Radio Access Bearer
ESM EPS Session Management
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio
Access Network
FDD Frequency Division Duplex
FDMA Frequency Division Multiple Access
FEC Forward Error Correction
FFT Fast Fourier Transform
FH Frequency Hopping
FSF Frequency Selective Fading
GBR Minimun Guaranteed Bit Rate
GERAN GSM / EDGE Radio Access Network
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile communication
GTC-C GPRS Tunneling Protocol – Control Plane
GTP GPRS Tunneling Protocol
GTP-U GPRS Tunneling Protocol – User Plane
HARQ Hybrid Automatic Repeat ReQuest
HI HARQ Indicator
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HSS Home Subscriber Server
HSUPA High Speed Uplink Packet Access
ICI Inter Carrier Interference
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
IFDMA Interleaved FDMA
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
IMS IP Multimedia Subsystem
IMT International Mobile
Telecommunications
IMT-A International Mobile
Telecommunications Advanced
IP Internet Protocol
ISI Inter-Symbol Interference
ITU International Telecommunication
Union
LFDMA Localized FDMA
LOS Line Of Sight
Glosario

viii
LTE Long Term Evolution
LTE-A Long Term Evolution Advanced
MAC Medium Access Control
MBMS Multimedia Broadcast and Multicast
MBR Maximum Bit Rate
MBSFN Multimedia Broadcast Single
Frequency Network
MCCH Multicast Control Channel
MCH Multicast Channel
MCS Modulation and Coding Scheme
MGCF Media Gateway Controller Function
MGW Media Gateway
MIB Master Information Block
MIMO Multiple In – Multiple Out
MISO Multiple Input – Single Output
MME Mobility Management Entity
MMTEL Multimedia Telephony
MRC Maximum Ratio Combining
MSC Mobile Switching Center
MTCH Multicast Traffic Channel
NAS Non Access Stratum
NLOS No Line Of Sight
OCS Online Charging System
OFCS Offline Charging System
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple
Access
PAPR Peak to Average Power Ratio
PBCH Physical Broadcast Channel
PCCH Paging Control Channel
PCFICH Physical Control Format Indicator Channel
PCH Paging Channel
PCRF Policy and Charging Rules Function
PDCCH Physical Downlink Control Channel
PDCP Packet Data Convergence Protocol
PDN-GW Packet Data Network Gateway
PDSCH Physical Downlink Shared Channel
PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator Channel
PHY Physical Layer
PLC Power Line Communications
PLCI Physical Layer Cell Identity
PLCIG Physical Layer Cell Identity Group
PLI Physical Layer Identity
PMCH Physical Multicast Channel
PMI Precoding Matrix Information
PRACH Physical Random Access Channel
PRB Physical Resource Block
PRS Physical Resource Blocks
PS Packet Switched
PSS Primary Synchronization Signal;
PUCCH Physical Uplink Control Channel
PUSCH Physical Uplink Shared Channel
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QCI QoS Class Identifier
QoS Quality Of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RACH Random Access Channel
RAN Radio Access Network
RB Radio Bearer
RE Resource Element
REG Resource Elements Group
RLC Radio Link Control
RNC Radio Network Controller
RRC Radio Resource Control
RRM Radio Resource Management
RS Reference Signal
RTP Red Telefónica Pública
S1-AP S1 Application Part
SC-FDMA Single Carrier Frequency Division
Multiple Access
SCTP Stream Control Transmission
Protocol
SFN Single Frequency Network
SGSN Serving GPRS Support Node
S-GW Serving Gateway
SIMO Single Input – Multiple Output
SINR Signal to Noise and Interference
Ratio
SIP Session Initiation Protocol
SNR Signal to Noise Ratio
SR Scheduling Request
SRB Signalling Radio Bearer
SRS Sounding Reference Signal
SR-VCC Single Radio Voice Call Continuity
SSS Secondary Synchronization Signal
STC Space Time Coding
SVD Singular Value Decomposition
TA Time Advance
TB Transport Block
TCP Transmission Control Protocol
TDD Time Division Duplex
TDM Time Division Multiplex
TDMA Time Division Multiple Access
TDT Televisión Digital Terrenal
TF Transport Format
TM Transparent Mode
TS Time Slot
TSF Time Selective Fading

ix
TSG Technical Specification Group
TTI Transport Time Interval
UDP User Datagram Protocol
UE User Equipment
UL DownLink
UL-SCH Uplink Shared Channel
UM Unacknowledged Mode
UMB Ultra Mobile Broadband
UMTS Universal Mobile Telecommunications
System
USIM Universal Subscriber Identity Module
UTRA Universal Terrestrial Radio Access
UTRAN Universal Terrestrial Radio Access
Network
VoIP Voice over IP
WG Working Group
WRC World Radio Conference
X2-AP X2 Application Part
ZC Zadoff-Chu sequence

x

1
Unidad 1
INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA LTE
Índice
1.1 Contexto ...........................................................................................................................2
1.2 Objetivos de LTE...............................................................................................................4
1.3 Evolución desde 3.5G......................................................................................................6
1.4 Evolución hacia LTE-A......................................................................................................9
1.5 Estándares ........................................................................................................................9
1.6 Aspectos regulatorios y de espectro...........................................................................11
Objetivos de la unidad
Al finalizar la unidad, el alumno debe conocer justificadamente por qué se
desarrolló el sistema LTE, y qué novedades aporta el sistema respecto al sistema
3.5G. Deben conocerse además las entidades de estandarización del sistema, que
siempre es el lugar de referencia para obtener la información técnica de LTE, tanto
del sistema en explotación como de los desarrollos futuros que se están
especificando. Finalmente se conocerán los aspectos regulatorios que aplican en
España a LTE.

2
1. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA LTE
1.1 Contexto
El contexto en el que se enmarca el desarrollo de la tecnología LTE (E-UTRAN, Red de
Acceso Radio Terrestre Universal Evolucionada), es decir, la tecnología 4G
estandarizada por el organismo internacional 3GPP -3rd Generation Partnership
Project- y su implantación en explotación se ha de situar en un entorno tal que: el
consumo de voz móvil por parte de los usuarios está estancado sin que exista un
aumento de tráfico o ingresos para los operadores;, existe simultáneamente un gran
crecimiento en el consumo de datos por parte de los usuarios graicas a la
proliferación masiva de terminales inteligentes o smartphones.
Este consumo masivo de datos ha sido facilitado por las tecnologías 3G (UMTS en
Europa y cdma2000 en Estados Unidos y otros países) y, por supuesto, por la
disponibilidad de datos móviles de ´más velocidad con los sistemas 3.5G (HSDPA o
HSUPA). No obstante, debido
principalmente a las tarifas planas de
datos, los operadores han llegado a
requerir una tecnología cuyo coste por
bit consumido por el usuario en un
entorno de altas tasas de datos sea
menor que el coste de la tecnología 3G
o 3.5G. Además, los operadores
también han demandado una
tecnología con mayores velocidades
que las logradas, y con una mayor
eficiencia espectral para optimizar el
uso del espectro que tienen en
concesión. Respecto a la eficiencia
espectral, hay que tener en cuenta el progreso que la tecnología podía brindar: desde
una eficiencia espectral de 0,4 bits/s/Hz en UMTS, pasando por 3 bits/s/Hz en HSDPA,
hasta los 5 bits/s/Hz de pico en LTE, valor absolutamente deseable.
Podría pensarse que simplemente con aumentar el número de estaciones base
presentes en una determinada zona sería suficiente para aumentar la capacidad del
sistema, sin involucrarse en un nuevo cambio tecnológico que además habría que
desplegar. No obstante, esta opción pierde interés cuando se valoran los handovers
Figura 1. Coste de LTE vs. UMTS con alta tasa de
consumo de datos.
UD 1. Pág.UD 1. Pág.

3
(traspasos de celda) del terminal móvil, ya que a menor tamaño de celda, son
necesarios más traspasos de celda del terminal, lo que aumenta el tráfico de control en
la celda por dichos handovers. Lógicamente llegamos a un límite de tráfico de control
cursado por esta razón, además de las obvias razones económicas que implicaría un
despliegue masivo de celdas más pequeñas. Y aún sin mencionar, pero no menos
importante, es el asunto de las concesiones de espectro, en el que la administración,
sea cual sea ésta, siempre exige un uso más eficiente del mismo, con lo que no sería
válido el uso de tecnologías ya superadas si en el horizonte se vislumbransen otras
tecnologías más eficientes espectralmente hablando.
Así pues, LTE surge como una necesidad natural que solventa los problemas de costes
y eficiencia espectral, lo que explica su más o menos rápida estandarización y
explotación, aunando incluso los primeros desarrollos paralelos de LTE con UMB (el
cambio tecnológico similar a LTE pero en la “rama” del cdma2000), siendo finalmente el
desarrollo de UMB abandonado en 2008 y quedando LTE como único estándar de facto
en acceso móvil de alta velocidad en 4G (ver Figura 2).
Esta última afirmación hay que matizarla: la ITU-R (Unión Internacional de
Telecomunicaciones, Radiocomunicaciones) considera, dentro de sus recomendaciones
Figura 2. Evolución de tecnologías móviles.
Reproducido con permiso; cortesía de Agilent Technologies, Inc.
UD 1. Pág.

4
IMT-2000 (International Mobile
Telecommunications), además de a LTE, al
sistema WiMax móvil (IEEE 802.16e).
Por otro lado, también están ya en
desarrollo los futuros sistemas
mejorados, con mayores capacidades,
de LTE y de WiMax móvil: LTE-Advanced
(3GPP) y WiMax 2 (802.16m)
respectivamente, enmarcados dentro de
las recomendaciones IMT-Advanced de
ITU-R.
En el marco español, con LTE como
vencedor tecnológico, los operadores del
país iniciaron a mediados de 2013 el
despliegue comercial del sistema 4G en
zonas de alta densidad de tráfico y en
grandes ciudades, por razones de
rentabilidad y de propia imagen,
continuándose el proceso de despliegue
en otras zonas urbanas de menor
tamaño durante el año 2014, sin preverse un rápido despliegue del sistema en
entornos poco poblados o rurales, donde puede decirse que la tecnología 3G satisface
las necesidades tanto de usuarios como de operadores.
1.2 Objetivos de LTE
Cuando en noviembre de 2004 el organismo 3GPP inicia los estudios para el desarrollo
de una nueva tecnología que superara y mejorara a UMTS, se determinan los objetivos
a lograr con este nuevo sistema:
 Optimización de la transmisión por paquetes (PS, packet switched) frente a
implementación a posteriori dentro de las tecnologías CS (circuit switched)
presentes.
 Incremento de las tasas de datos de los usuarios: en un ancho de banda de 20
MHz, 100 Mbps en el enlace descendente –DL, downlink- y 50 Mbps en el
ascendente –UL, uplink-.
RECUERDA
LTE se implanta por estas
necesidades:
 La necesidad de altas velocidades
de datos en dispositivos móviles
inteligentes (smartphones).
 La presencia de tarifas planas de
datos para los usuarios.
 Un menor coste a altas tasas de
datos.
 La necesidad de alta eficiencia
espectral.
 Las limitaciones presentes en la
reducción del tamaño de las celdas
desplegadas.
UD 1. Pág.

5
 Retardos reducidos en el tráfico de datos, ya sean debidos a los tiempos de
establecimiento de la conexión (menores que 100 ms), como en el propio
retardo de los paquetes en el sistema radio (latency), menores que 5 ms.
 Incremento de las tasas de datos entregadas o recibidas en los bordes de las
celdas (en oposición a un problema típico presente a las redes UMTS-efecto
“respiración” de la celda-).
 Flexibilidad en el uso del espectro, para poder adaptarse a las asignaciones
nacionales presentes, pudiendo funcionar con los siguientes anchos de banda:
1’4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz.
 Posibilidad de uso con modos dúplex TDD (Time Division Duplex) y FDD
(Frequency Division Duplex), en bandas de frecuencia emparejadas (paired bands)
y no emparejadas (unpaired bands)
 Coste reducido por bit efectivo.
 Cobertura con degradación de hasta 30 Km de radio o más, y con calidad hasta
5 Km de radio.
 Alta eficiencia espectral: de 3 bits/s/Hz en HSDPA a más de 5 bits/s/Hz en LTE.
 Arquitectura de red simplificada, con menores costes y más eficiencia en la
provisión de los servicios de cliente.
 Más capacidad en el plano de control, esto es, más capacidad de manejo de
usuarios activos en el sistema: más de 200 usuarios / celda en 5 MHz de ancho
de banda, y hasta 400 con anchos de banda mayores.
 Interfaces abiertos que permitan la interoperabilidad de diversos sistemas de
acceso radio de alta capacidad.
 Capacidad de VoIP (voz sobre IP, Voice over IP) nativa, aunque podrían utilizarse
los servicios CS presentes en las tecnologías desplegadas.
UD 1. Pág.

6
 Optimización de la complejidad y consumo de los terminales móviles de usuario
(UE, user equipment), haciendo que exista una variedad de clases, según sus
características, modulaciones soportadas y capacidad de proceso de datos.
 Soporte a altas velocidades del móvil, hasta 350 Km/h con degradación, y con
buena calidad hasta 120 Km / h, son soporte óptimo para velocidades de hasta
15 Km / h.
Con estos objetivos se aborda el diseño del nuevo sistema radio E-UTRAN. Por
supuesto, se parte del sistema UTRAN en UMTS teniendo en cuenta tanto las
características de éste que funcionan eficientemente como los defectos para
eliminarlos o minimizarlos en la evolución hacia LTE; se detallan estos pros y contras
en el apartado 1.3.
1.3 Evolución desde 3,5G
En efecto, en el desarrollo de LTE se tienen en cuenta las características ya explotadas
de 3.5G (HSDPA / HSUPA) que benefician al sistema, a la vez que se eliminan los
problemas inherentes a 3.5G, como son:
 Uso poco eficiente de los canales asignados, con canales dedicados junto a
canales compartidos.
 Arquitectura de red compleja tanto en protocolos como en señalización, a la vez
que una estructura radio altamente jerarquizada; esto introduce unos retardos
(latency) altos y eleva el coste del sistema.
 Sistemas diseñados originalmente para conmutar circuitos (CS nativo), aunque
adaptados a PS (uso no nativo).
Respecto a las características de 3.5G que son reutilizadas con mejoras en LTE se
tienen:
 El empleo de turbocódigos mejorados respecto a 3.5G, esto es, técnicas de
codificación avanzadas, más rápidas y más eficientes en la recuperación de
errores, que limitan la complejidad que tendría un código convencional que
fuera igual de eficiente en la recuperación de errores de tal profundidad.
UD 1. Pág.

7
 Modulaciones QPSK y 16-QAM presentes en 3.5G, además de las más eficientes
64-QAM en las estaciones base (y únicamente en los UE avanzados).
 Uso de la técnica ACM (Adaptative Coding and Modulation), que ajusta la
modulación y la codificación del canal en función de la calidad presente en el
canal, las características de éste y el tráfico requerido.
 Uso de HARQ (Hybrid Automatic Repeat ReQuest).
 Packet switched y uso de packet
scheduling: LTE usa conmutación
de paquetes PS en modo nativo,
tal y como ya hacía HSDPA.
También utiliza la técnica de
reparto inteligente de paquetes,
con planificación y asignación de
recursos radio según la capacidad
demandada por los usuarios o la
calidad del enlace con éstos.
Existen únicamente canales
compartidos, tanto en uplink
como en downlink, a diferencia
de 3.5G, en el que existen tanto
canales compartidos como
dedicados en el mismo sistema.
LTE incorpora técnicas novedosas en su interfaz radio, no implementadas en telefonía
y datos móviles hasta el momento, que corresponden a los avances ya establecidos en
nuevas modulaciones multiportadora o técnicas multiantena:
 Utilización de la modulación multiportadora OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access) en el enlace descendente: el ancho de banda disponible
se divide en múltiples portadoras ortogonales entre sí para evitar la
interferencia entre símbolos, pudiendo estar una o varias de estas portadoras
configuradas para distintos usuarios, distintas modulaciones y codificaciones y,
por tanto, distintas tasas de datos en cada portadora. Así mismo, OFDMA facilita
la adaptación a los distintos anchos de banda disponibles en las
asignaciones de los reguladores con facilidad, así como también la coordinación
RECUERDA
LTE utiliza estas técnicas del sistema
3.5G:
 Turbocódigos.
 Modulaciones eficientes como 16-
QAM.
 Técnicas adaptativas ACM.
 Técnicas de retransmisión HARQ.
 Conmutación de paquetes.
 Planificación de paquetes y
usuarios (scheduling).
UD 1. Pág.

8
de interferencias entre celdas adyacentes, por ejemplo codificando con una
modulación más robusta las portadoras en los extremos de la banda asignada
(reutilización flexible). OFDMA aporta otras muchas ventajas al sistema: bajos
costes en la industria debido a la economía de escala lograda por ser la
modulación presente en las tecnologías inalámbricas WiFi y WiMax, en las
cableadas ADSL y PLC, en la televisión terrenal digital (TDT) y en la radio digital
(DAB); modulación robusta frente a la selectividad en frecuencia, presente
por los anchos de banda grandes, que producen dispersión temporal de la
señal y, por tanto, ISI (Inter-Symbol Interference, interferencia intersímbolos), al
subdividir la banda original en múltiples “minibandas” asignadas cada
portadora. Finalmente permite ecualización en frecuencia a bajo coste
gracias al procesado digital de la señal con FFT / IFFT.
 Utilización de la modulación SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple
Access) en el enlace ascendente: esta modulación mantiene las principales
ventajas de OFDMA (portadoras ortogonales entre diferentes usuarios
compitiendo en un acceso múltiple, variedad en tasas de transmisión, variedad
en anchos de banda soportados, scheduling, etc.) a la vez que evita el principal
problema que en el enlace ascendente aparecería si se utilizara OFDMA: una
alta relación potencia media – potencia de pico (PAPR, Peak to Average Power
Ratio) difícil de soportar desde los terminales móviles, limitados en la potencia
que pueden transmitir y en la duración de la batería.
 Técnicas multiantena como MIMO (Multiple In – Multiple Out): se crean diversas
trayectorias de señal entre la estación base y el terminal de usuario, lo que
permite aumentar significativamente la eficiencia espectral del sistema,
multiplicando la capacidad (multiplexación espacial). En concreto, en el enlace
descendente se utiliza un MIMO
2x2 con 2 antenas transmisoras y
2 receptoras; en el ascendente, 1
antena transmisora y 2
receptoras; en la evolución LTE-A
puede llegarse a MIMO 4x4.
Adicionalmente a las mejoras en la
interfaz radio, la propia arquitectura de
red es jerárquicamente más plana, a
diferencia de 3G. Las estaciones radio de
LTE (eNB, evolved Node B) son más
RECUERDA
LTE utiliza además nuevas técnicas:
 Modulaciones multiportadora y
multiusuario, tanto en el enlace
ascendente (SC-FDMA) como en el
enlace descendente (OFDMA).
 Técnicas multiantena con
multiplexación espacial (MIMO).
UD 1. Pág.

9
“inteligentes” que las estaciones radio de 3G (NodeB), ya que “acercan” los protocolos
de usuario y control al enlace radio, eliminando nodos intermedios (el RNC en 3G)
entre la radio y el núcleo de red del sistema (System Core). De esta manera, se reducen
los retardos de los paquetes de datos porque las decisiones de control y usuario se
toman “más cerca” del terminal móvil y se simplifica la arquitectura de red, lo que
también afecta a los costes operaciones del sistema, reduciéndose de manera
significativa.
1.4 Evolución hacia LTE-A
El 3GPP considera ya en su Release 10 del acceso radio (UTRA) el sistema LTE-Advanced
(LTE-A) como evolución de LTE, que cumple los requisitos mínimos exigidos por la ITU-R
en sus recomendaciones sobre IMT-Advanced. LTE-A es la evolución natural de LTE y
permite la compatibilidad hacia atrás de los terminales de usuario con la Release 8 de
LTE. Logra aumentar las tasas de transmisión de datos hasta velocidades del orden de
1 Gbps en el enlace descendente y 500 Mbps en el enlace ascendente gracias a: la
agregación de canales de 20 MHz, hasta 5, lográndose un ancho de banda de 100 MHz;
a las mejoras de las técnicas multiantena (hasta MIMO 4x4); a la mejora de los
protocolos presentes para despliegues jerárquicos (celdas, microceldas, picoceldas o
femtoceldas); uso de repetidores con regeneración en los bordes de las celdas; y a la
transmisión multipunto coordinada (CoMP, Coordinated MultiPoint) o dar servicio a un
terminal desde varias estaciones radio en distintas celdas.
El sistema LTE-A no es objetivo de este curso, por lo que no se profundizará más en él.
1.5 Estándares
Los procesos de estandarización en la tecnología LTE han llegado más lejos que en
ninguna tecnología móvil con anterioridad, pues han aunado los desarrollos previstos
en la evolución de los sistemas 3G presentes en Europa por un lado y en América por
otro, con UMTS y cdma2000, respectivamente (y sus evoluciones 3.5G con HSDPA /
HSUPA y EV-DO), logrando un estándar global para el sistema 4G, LTE. Y puesto que
los procesos de estandarización son costosos en tiempo y en dinero, esto es una gran
noticia para la industria y para el usuario global de nuestros días.
El resultado de LTE como estándar mundial se debe al trabajo del organismo 3GPP
(http://www.3gpp.org/), nacido en 1998 para especificar 3G, que engloba seis
organizaciones supranacionales o nacionales de estandarización, como son ETSI en
Europa, ATIS en Estados Unidos, CCSA en China, TTA en Corea del Sur, y ARIB y TTC en
Japón.
UD 1. Pág.

10
3GPP se organiza mediante 4 grupos de trabajo (TSG, Technical Specification Group)
dedicados a la evolución de la red radio de GSM / EDGE (GERAN TSG), a la red de
acceso radio LTE (RAN TSG) –grupo cuyas especificaciones son fundamentales en este
curso-, al sistema y los servicios LTE (SA TSG) y a la red Core y los terminales (CT TSG).
Dentro de cada TSG se organizan diversos grupos de trabajo (WG, Working Group) que
acometen las tareas de estandarización de partes concretas del TSG en cuestión. A
efectos de este curso, es importante localizar en la web de 3GPP, sobre todo, las
especificaciones del RAN TSG relativas a la capa física del sistema LTE (WG1).
Las especificaciones de 3GPP, organizadas en series (por ejemplo, la Serie 36 especifica
la parte radio de LTE y LTE-Advanced), evolucionan según Releases que determinan las
funcionalidades del sistema en un momento dado para su implementación industrial.
En concreto, UMTS se especificó en la Release 99 (año de su publicación definitiva y
cierre); tras un cambio de numeración en el año 2000, de años a números, se
especificó HSDPA en la Release 5, HSUPA en la 6 y HSDPA mejorado (HSDPA+) en la 7.
LTE se especificó en la Release 8, que se cerró en diciembre de 2008, incluyéndose
ciertas mejoras en la Release 9. Dentro de las series, las especificaciones concretas se
numeran con 3 cifras que, unidas al número de la serie, identifican la especificación
Figura 3. Organización del 3GPP. Fuente: 3GPP (http://www.3gpp.org/specifications-
groups)
UD 1. Pág.

11
concreta; por ejemplo, existe la especificación técnica (Technical Specification, TS) TS
36.211, relativa a E-UTRAN.
Respecto a la ITU-R, no existe un estándar de estos sistemas móviles como tal, sino una
recomendación, la ITU-R M 1457-7, que incluye los requisitos mínimos de los sistemas
móviles para que puedan considerarse como IMT-2000. Así pues, en IMT-2000 se
incorporan el sistema de acceso radio global E-UTRA (de LTE) y europeo UTRA (de
UMTS), el sistema de acceso radio americano cdma-2000 y el sistema WiMax Móvil IEEE
802.16e.
Previendo el futuro, ITU-R incluyó los requisitos que la evolución de los sistemas
ITM-2000, llamados IMT-Advanced, debían cumplir como mínimo en la recomendación
ITU-R M 1645; como respuesta, el 3GPP avanzó, como sistema que cumpliría dichos
requisitos, el sistema LTE-Advanced, llamado por el 3GPP “LTE Release 10 & beyond”.
1.6 Aspectos regulatorios y de espectro
La World Radio Conference, (ITU-R) de 2007 (WRC-07) definió las bandas que se iban a
dedicar al sistema IMT-2000 en todo el mundo, repartiendo las bandas en las tres
regiones en las que se divide el planeta: la región 1, que comprende Europa, África y la
parte septentrional de Asia; la región 2, que comprende el continente americano; la
región 3, que engloba a Oceanía y Asia meridional, excepto Japón; y una excepción a la
región 3, que es Japón en sí mismo. En la Figura 4 pueden verse las bandas definidas
en la WRC-07 y si la banda tiene un uso dúplex FDD o TDD. En España, como parte de
la región 1, se han asignado a través del CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de
Frecuencias, publicado por el Ministerio de Fomento, Secretaría General de
Telecomunicaciones) las bandas 7 y 8. La banda 7 fue sacada a subasta, consistiendo
en las subandas de 2500 a 2570 MHz para el enlace ascendente y de 2620 a 2690 MHz
para el enlace descendente. La banda 8, compartida con GSM, consiste en los
segmentos de frecuencia de 880 a 915 MHz para el enlace ascendente, y de 925 a 960
MHz para el enlace descendente. Ambas bandas tienen un uso dúplex en frecuencia,
FDD.
Conviene recordar que, en virtud de la directiva europea 87/372/ECC, la “Directiva
GSM”, las bandas inicialmente asignadas a la tecnología GSM (2G) eran aquéllas en los
900 MHz (GSM-900) y en los 1800 MHz (DCS-1800) con canalizaciones de 200 KHz, y en
los 2100 MHz para UMTS (3G) con canalizaciones de 5 MHz, sin que pudieran albergar
otras tecnologías distintas a GSM o UMTS respectivamente. No obstante, en 2009 a
través de las directivas 2009/114/CE y 2009/766/CE, el parlamento europeo redefine la
Directiva GSM de manera que se sigue el principio de neutralidad tecnológica por el
que las bandas de frecuencias móviles no se asignan a una tecnología concreta, sino
UD 1. Pág.

12
que son los aspectos de cobertura, tecnología más adecuada, capacidad, necesidades
de despliegue o finanzas los que pueden definir qué tecnología se usa en cierta banda.
En España, las directivas europeas se
trasladan en el Real Decreto 458/2011,
de 1 de abril, sobre actuaciones en
materia de espectro radioeléctrico para
el desarrollo de la Sociedad Digital
(http://www.boe.es/boe/
dias/2011/04/02/pdfs/BOE-A-2011-
5936.pdf), iniciándose pues el proceso
de refarming, consistente en la
recalificación de las bandas para su uso
con tecnologías distintas a las
inicialmente previstas, con lo que UMTS
puede comenzar a desplegarse en
bandas GSM-900 o en DCS-1800,
habilitándose los anchos de banda
pertinentes para el sistema.
Figura 4. Bandas de frecuencia asignadas a E-UTRA. Fuente: 3GPP
(ts_136104v081300p, p 13).
UD 1. Pág.
RECUERDA
 Neutralidad tecnológica: las
bandas de frecuencia no son
asignadas por tecnologías, sino
que las asignaciones dependen de
aspectos tecnologógicos.
 Refarming: proceso por el que se
aplica el principio de neutralidad
tecnológica recalificándose el uso
que se hace de las bandas, con
cambios legislativos si son
precisos.

13
El principio de neutralidad tecnológica supone aprovechar las buenas características de
propagación de las bandas más bajas en frecuencia para los servicios 3G, con lo que se
acerca la alta velocidad móvil a entornos rurales o menos poblados. El refarming
también afecta a LTE, que a partir de ese momento, además de en las bandas 7 (2600
MHz) y 8 (900 MHz), sí puede ser desplegado en la banda de 2100 MHz cuya
canalización de 5 MHz es soportada por LTE; no obstante, al solamente disponer en
dicha banda de 5 MHz de BW, el despliegue adolece de mucha menos capacidad (una
reducción a un cuarto de la original, aproximadamente).
UD 1. Pág.

14
© ilustratis, learning engineering UD 1. Pág.

1
Unidad 2
TECNOLOGÍAS SUBYACENTES
Índice
2.1 Introducción a las nuevas tecnologías incorporadas en LTE .................................... 2
2.2 Efectos presentes en el canal radio .............................................................................. 2
2.2.1 Dispersión temporal y selectividad en frecuencia ........................................ 3
2.2.2 Dispersión Doppler y variación temporal de la señal................................... 6
2.3 Tecnologías multiportadora........................................................................................... 8
2.3.1 Modulación OFDM .............................................................................................. 8
2.3.2 OFDMA en el enlace descendente..................................................................14
2.3.3 SC-FDMA en el enlace ascendente .................................................................16
2.4 Tecnologías multiantena: MIMO .................................................................................18
2.4.1 Justificación de MIMO.......................................................................................18
2.4.2 Introducción a MIMO........................................................................................20
2.4.3 Bases matemáticas de la transmisión MIMO óptima..................................21
2.4.4 Información de retorno y control de potencia .............................................24
Al finalizar la unidad el alumno debe comprender los principales hechos que afectan
a la comunicación móvil de banda ancha, comunicación que se da en LTE (la
selectividad en tiempo y en frecuencia). Como consecuencia, LTE implementa
modulaciones de acceso múltiple que minoran estos efectos indeseados, además
de otras técnicas, como la inclusión de un tiempo de guarda. Además, el alumno
debe conocer cómo LTE utiliza ciertas técnicas multiantena (MIMO) para aumentar
la capacidad del sistema. En definitiva, al final de la unidad se comprenderán las
bases de las tecnologías novedosas que incorpora LTE para mejorar la
comunicación aérea.

2
2. TECNOLOGÍAS SUBYACENTES
2.1 Introducción a las nuevas tecnologías incorporadas en LTE
La tecnología LTE es una tecnología de banda ancha por su capacidad de operación en
BW de hasta 20 MHz; por ello, las características de transmisión del canal radio son
bien distintas del canal radio en tecnologías 2G como GSM, con bandas de 200 KHz. Sin
embargo, las pérdidas básicas de propagación o por difracción sí pueden ser evaluadas
con los modelos de banda estrecha que serán introducidos someramente en el
apartado 5.3.
Concretando los efectos en banda ancha, si en el canal existe dispersión temporal
debido a multitrayectos, este efecto conlleva una distorsión en frecuencia de dicho
canal, con desvanecimientos selectivos que afectan de manera distinta a distintas
frecuencias dentro de la banda; no obstante, es interesante señalar que los
multitrayectos aumentan la cobertura del sistema gracias a los rayos reflejados.
También, debido al movimiento de los móviles o del entorno, existe una dispersión por
efecto Doppler que afecta a la señal en el tiempo. Estos dos efectos se explican a
continuación, con el fin de conocer el canal radio de las nuevas tecnologías LTE, lo que
determina, sin lugar a dudas, qué tecnologías radio, de procesado de señal en
receptores y transmisores y modulaciones son requeridas para lograr una
comunicación de calidad y con altas tasas de transferencia de datos en la red móvil.
Finalmente se explica en este epígrafe la tecnología multiantena MIMO, incorporada a
LTE como un medio de multiplexación espacial que multiplica la capacidad del sistema
por factores de 2 o más, añadiéndose a la multiplexación en tiempo y frecuencia que
integran ya las modulaciones radio, tanto en el enlace ascendente como el
descendente (SC-FDMA y OFDMA respectivamente).
2.2 Efectos presentes en el canal radio
El estudio del canal radio es complicado, razón por la cual se ataca el problema por
partes: se estudian los efectos de un canal en el que existen multitrayectos y, por lo
tanto, dispersión temporal; un canal en el que existe dispersión Doppler por efectos de
la movilidad de los terminales; y un canal en el que existe la variabilidad estadística
propia de los procesos estocásticos (variables aleatorias en el tiempo de las pérdidas,
las relaciones señal a ruido, etc.). Así pues, se consideran a efectos de estudio primero
los canales sin efectos estadísticos estocásticos (determinísticos, pues), contando
únicamente los efectos del multitrayecto primero, y la dispersión Doppler después.
UD 2. Pág.

3
2.2.1 Dispersión temporal y selectividad en frecuencia
En un canal multitrayecto, como es nuestro caso debido a las múltiples reflexiones
existentes en edificios, paredes, elementos físicos, etc., tenemos N rayos de señal
provenientes de la estación base, lo que supone que la respuesta impulsiva al canal
lineal está sujeta en cada trayecto a una amplitud, un retardo y una fase determinados,
que se superponen (suman) en el terminal de recepción, dando lugar a la respuesta
impulsiva conjunta h():
siendo i el retardo del trayecto i, Ai la amplitud del trayecto i y finalmente i la fase de
dicho trayecto i-ésimo.
Si se realiza la transformada de Fourier de esta señal recibida para caracterizarla en
frecuencia, teniendo en cuenta que la transformada de (t) es 1, y de (t-) es e-jw 
, se
tiene:
Como puede observarse, la función de transferencia del canal multitrayecto H() no es
constante para  ( = 2  f) sino que varía, apareciendo frecuencias en las que hay
máximos y frecuencias en las que hay mínimos en la función de transferencia  H()
aclarar que como H es compleja, no hay una relación de orden, pero sí si consideramos
su módulo  H(). Si analizáramos esta expresión para un solo rayo principal y un solo
rayo reflejado (N = 2), tendríamos que el módulo de la función compleja  H() se
comportaría como una señal periódica en frecuencia del tipo sinusoidal (con valles y
picos), con periodo 1/ 1, siendo  1 el retardo del rayo reflejado respecto del principal.
Se puede extraer la siguiente conclusión de este ejemplo simple sin pérdida de
generalidad en el caso de más rayos en multitrayecto: la respuesta del canal tiene
desvanecimientos en frecuencia relacionados con el inverso de los retardos de los ecos
Este modelo no tiene en cuenta el efecto Doppler, por lo que inicialmente se considera
que los terminales móviles están estáticos. El modelo tampoco tiene en cuenta la
variabilidad estadística estocástica del canal, es decir, h() no es una función del tiempo,
h(, t), siendo el canal estático, no variante en el tiempo.
UD 2. Pág.

4
presentes por multitrayecto. Es decir, que a más retardo del rayo secundario respecto
al principal - 1 grande-, más cerca están los mínimos o máximos en frecuencia -1/ 1
pequeño-, con lo que existe una selectividad (distintas atenuaciones según la
frecuencia) importante del canal, incluso con bandas de señal estrechas; y viceversa.
Este efecto puede verse en el ejemplo de la Figura 5, con un retardo del único eco
presente de 0,5 ms y una periodicidad en frecuencia de 2 Hz (1/0,5 s) que caracterizan
un canal que no es plano en frecuencia, sino selectivo.
Esta simple aproximación sirve para conocer cualitativamente los efectos del caso
general, en el que no existe un único rayo en multitrayecto, sino varios, cada uno con
su retardo concreto  i, que varían en un rango determinado. De hecho, se llama
dispersión del retardo Ds (delay spread) a la desviación típica estadística de la variable
aleatoria retardo por multitrayecto –evidentemente, no es una variable determinística,
y por eso sólo puede estudiarse mediante sus parámetros estadísticos, como la
desviación típica). Pues bien, a partir de la dispersión del retardo se define el ancho de
banda de coherencia Bc como la inversa de Ds, viniendo a indicar Bc el ancho de
banda en el que el canal varía entre máximos y mínimos y no tiene un comportamiento
plano, existiendo desvanecimientos selectivos en frecuencia (FSF, Frequency Selective
Fading).
Como puede observarse en la Figura 6, es deseable tener un canal plano en frecuencia
a efectos de transmisión y calidad de la señal, aunque esto no es controlable puesto
que no son controlables los multitrayectos presentes en la comunicación y, por tanto,
Figura 5. Selectividad en frecuencia con un solo
rayo reflejado y retardo 0,5 s.
Los retardos presentes por multitrayecto causan selectividad en frecuencia, de manera
que a retardos mayores, mínimos y máximos más cercanos en frecuencia en la función de
transferencia.
UD 2. Pág.

5
el valor de la dispersión del retardo. Ya
que Ds define Bc, deseamos que este
valor sea amplio de manera que el
ancho de banda de nuestra señal sea
menor que Bc el canal se muestre como
aproximadamente plano sin selectividad
en frecuencia.
Esto no siempre ocurre pues la
dispersión del retardo depende del
medio que causa el multitrayecto, siendo
algunos valores típicos, según el
entorno:
 Interiores, con multitrayectos de
recorrido similar: Ds entre 30 y
300 ns, lo que implica Bc entre 3 y
30 MHz; es decir, canal algo selectivo en frecuencia inicialmente para el ancho
de banda de LTE de 20 MHz.
 Urbano, con multitrayectos de diferentes recorridos: Ds entre 300 ns y 3 ms, lo
que implica Bc entre 300 KHz y 3 MHz; es decir, canal bastante selectivo en
frecuencia inicialmente para el ancho de banda de LTE de 20 MHz.
 Rural, con multitrayectos de muy diferente recorrido: Ds entre 1 y 10 ms, lo que
implica Bc entre 100 KHz y 1 MHz; es decir, canal muy selectivo en frecuencia
inicialmente para el ancho de banda de LTE de 20 MHz.
Figura 6. Selectividad en frecuencia con
multitrayecto y dispersión del retardo.
RECUERDA
 Dispersión del retardo, Ds:
depende de los multitrayectos
presentes en la transmisión, por lo
que no son controlables.
 Ancho de banda de coherencia,
Bc: es el inverso de la dispersión
del retardo, por lo que su valor
tampoco es controlable, aunque
interesaría que fuera un valor
amplio para que la señal no sufra
desvanecimientos selectivos en
frecuencia (FSF).
UD 2. Pág.

6
Respecto a los efectos que un canal multitrayecto con un valor importante de Ds tiene
en la señal deseada (en el dominio del tiempo) se encuentra la interferencia
intersímbolo (ISI), lo que es sencillo de ver: la llegada de varias señales con la misma
codificación, pero en distintos momentos determinados por el retardo de cada rayo en
multitrayecto, supone la superposición de varios símbolos idénticos pero desplazados,
lo que puede llegar a hacer irreconocible por el sistema de qué símbolo se trata,
siendo el efecto mayor cuanto mayor sea la dispersión del retardo presente. Así pues
se puede relacionar el periodo de símbolo Ts con la dispersión del retardo Ds, de
manera que existirá ISI si Ds no es mucho menor que Ts o, equivalentemente por
medio de sus inversos, si Bc no es mucho mayor que BW.
En definitiva, la selectividad en frecuencia que sufre una transmisión radio LTE (que es
de banda ancha) es importante o muy importante, y sus consecuencias respecto a la ISI
también, por lo que habrá que habilitar técnicas de modulación efectivas contra estos
“defectos” del canal, insoslayables por cuestiones físicas. Como se explica más
adelante, estas técnicas incluyen la modulación OFDMA y SC-FDMA.
2.2.2 Dispersión Doppler y variación temporal de la señal
Otra característica presente en las comunicaciones de banda ancha móviles es el
efecto del propio movimiento del terminal de usuario o del entorno presente (con
reflexiones en objetos móviles, por ejemplo). La diferencia de velocidades entre el
transmisor y el receptor se traduce en un desplazamiento Doppler de las frecuencias
nominales (f’ = f + fd), siendo este desplazamiento fd una función de la propia
frecuencia (a través de la longitud de onda ), la velocidad relativa v, y el ángulo  entre
el rayo de señal y la velocidad:
El desplazamiento frecuencial (Doppler spread) es tal que, si el móvil se acerca a la
estación base, fd será negativo, y el espectro de la señal se desplaza hacia frecuencias
Los efectos causados por la dispersión del retardo presente son: interferencia entre
símbolos (ISI) en el dominio del tiempo y selectividad en frecuencia (o FSF) en el dominio
de la frecuencia.
UD 2. Pág.

7
menores, y viceversa cuando el móvil se aleja de la estación base. Tenemos pues un
ensanchamiento o un estrechamiento del espectro de la señal deseada en recepción.
Además de este efecto que se puede observar en el dominio de la frecuencia, el
movimiento del móvil tiene también un efecto visible en el dominio del tiempo, ya que
el móvil no recibe un canal multitrayecto estático sino variable por ir cambiando de
posición, lo que se traduce en una variación temporal del canal conforme a su
movimiento. Así pues, el canal pasa de ser estático (conviene recordar que estamos
planteando el caso determinístico que no involucra procesos estocásticos) a ser
dinámico, con niveles de señal distintos en función del tiempo. Este efecto se
denomina desvanecimiento selectivo en el tiempo (TSF, Time Selective Fading).
Cuantitativamente se define la dispersión Doppler (Doppler spread, Bd) como la
desviación típica estadística de la variable aleatoria fd. Se puede relacionar Bd con el
parámetro tiempo de coherencia Tc, que indica el intervalo de tiempo en el que la señal
varía significativamente debido al desplazamiento con velocidad v, a través de su
inversa: Bd = 1/Tc.
Si el tiempo de símbolo Ts es
significativamente mayor que Tc, ocurre
que la señal sufre distorsión en un solo
símbolo, quedando éste deformado y, tal
vez, irreconocible en el receptor. Así
pues es deseable que Tc sea grande, es
decir, Bd pequeño, o velocidades
relativas entre móviles y estación base
pequeñas o, al menos, manejadas
dentro de un intervalo controlado (lo
que implica la definición de una
velocidad límite en el sistema para una
operación de calidad -en LTE hasta 350
Km/h-.
Para atenuar o eliminar el TSF se utiliza
en el sistema la codificación de canal con
RECUERDA
 Dispersión Doppler, Bd: depende
de la velocidad del terminal, por lo
que puede establecerse un límite
de especificación en el sistema.
 Tiempo de coherencia, Tc: es el
inverso de la dispersión Doppler,
por lo que su valor viene definido;
interesa que sea un valor amplio
para que la señal no sufra TSF o
desvanecimientos selectivos en el
tiempo.
Los efectos causados por la dispersión Doppler en el dominio del tiempo son la variación
en el tiempo del canal, con lo que éste pasa a tener atenuaciones distintas en tiempos
distintos (TSF).
UD 2. Pág.

8
entrelazado, de manera que distintas calidades de recepción en tiempos distintos no
provoquen la pérdida de información más allá de aquélla recuperable gracias a la
codificación.
2.3 Tecnologías multiportadora
Para solventar en gran medida los problemas que la dispersión del retardo genera en
el espectro de la señal de banda ancha, esto es, un espectro con FSF, se decidió
establecer la modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) como
modulación del sistema LTE en el enlace descendente, dotándola de acceso múltiple
(OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access).
En el enlace ascendente se eligió la modulación SC-FDMA (Single Carrier Frequency
Division Multiple Access), que no es más que la adaptación de la tecnología OFDMA a los
límites que impone la potencia disponible en el terminal, pero con las ventajas frente al
FSF que tiene OFDMA. Ambas se verán en detalle en los próximos apartados.
2.3.1 Modulación OFDM
Como se ha adelantado, el principal valor frente a la dispersión del retardo y a la
selectividad en frecuencia que aporta OFDM radica en que es una tecnología con
múltiples portadoras ortogonales entre sí situadas en toda la extensión del ancho de
banda de trabajo, cada una de ella con un ancho de banda muy pequeño en relación al
total. El ancho de banda pequeño de las subportadoras, aunque sí es afectado por la
selectividad en frecuencia FSF, produce desvanecimientos planos en el pequeño ancho
de banda, pudiéndose ecualizar este desvanecimiento del canal sólo en las
subportadoras afectadas de manera barata y eficiente, lo que no sería posible
realizarlo en el ancho de banda total de la transmisión de banda ancha (hasta 20 MHz
en LTE). La razón de que el desvanecimiento sea prácticamente plano se debe a que el
ancho de banda de cada subportadora es mucho menor que el ancho de banda de
coherencia, concepto visto en el epígrafe 2.2.1.
OFDM es también muy flexible si queremos utilizar distintas canalizaciones para LTE,
como es el caso, puesto que el ancho de banda de la señal puede ser controlado por el
número de subportadoras utilizadas en la modulación.
La elección de OFDM como modulación del enlace descendente para móviles de alta
velocidad en 4G se vio favorecida, sin duda, porque esta modulación estaba ya madura
en la industria debido a su utilización en diversos sistemas de uso masivo (TDT, DAB,
ADSL, PLC, Wifi, WiMax, etc.), con lo que la producción de chips de procesado hardware
era económica y de calidad, gracias a la competencia existente en chips DSP de
procesado digital, completamente adecuados para las operaciones de demodulación y
UD 2. Pág.

9
modulación de OFDM a través de las transformadas directas e inversas de Fourier, DFT
e IDFT, respectivamente, con sus implementaciones rápidas, FFT e IFFT. En la Figura 7
puede verse un esquema de bloques del transmisor y del receptor OFDM.
Y, finalmente, OFDM permite la implementación prácticamente inmediata del
multiacceso: OFDMA no es más que la aplicación a múltiples destinatarios (receptores)
de la modulación OFDM en el enlace descendente, asignando distintos grupos de
subportadoras a distintos usuarios, a la vez que este esquema es variable en el tiempo,
con lo que logramos un acceso múltiple bidimensional tiempo – frecuencia (podría
decirse que es un TDMA con un FDMA, ambos imbricados).
OFDM utiliza múltiples portadoras para transmitir la información total de la
comunicación, repartida ésta entre las distintas Nc subportadoras. Estas múltiples
portadoras son ortogonales entre sí lo
que supone la inmediata demodulación
sin mezcla de la información
transportada en cada subportadora;
matemáticamente se tiene que el
producto escalar de una subportadora
con otra distinta a ella es cero,
definiéndose el producto escalar como la
integral del producto de ambas
subportadoras en un determinado
intervalo (producto escalar que es
llevado a cabo en el demodulador,
permitiendo recuperar la información de
cada subportadora sin presencia de las
Figura 7. Diagrama de bloques OFDM.
Reproducido con permiso; cortesía de Agilent Technologies, Inc
RECUERDA
Ventajas de OFDM:
 Protección frente a FDF.
 Flexibilidad de implementación de
distintos anchos de banda.
 Receptores baratos y sencillos
gracias a los procesadores DSP
presentes en el mercado.
 Acceso múltiple inmediato.
UD 2. Pág.

10
demás). Para que las subportadoras sean ortogonales entre sí, la separación entre las
frecuencias centrales de cada una ellas f0 debe ser  f = 1/Tu, siendo Tu el periodo útil
del símbolo OFDM que modula a todas las subportadoras. De este modo, cada
subportadora, que se representa por la función matemática sinc, pasa por cero en los
múltiplos enteros de  f, y esto ocurre para todas las subportadoras presentes cuyas
frecuencias centrales están separadas  f:
El ancho de banda BW total que ocupa la señal OFDM será entonces el número total de
subportadoras Nc por el ancho de banda de cada subportadora,  f.
UD 2. Pág.
Figura 8. Espectro de la modulación OFDM.
Reproducido con permiso; cortesía de Agilent Technologies, Inc.

11
Una vez que se tienen las Nc subportadoras ortogonales, cada una de ellas se modula
con modulación digital M-QAM (con M igual a 4, 16 o 64 en LTE). M es el número de
símbolos distintos de la modulación (representados respectivamente por 2, 4 o 6 bits –
en concreto, log2 M bits-).
Entonces, siendo Tb el periodo de bit, el periodo del símbolo OFDM que se extiende
en el tiempo y en la frecuencia es Tu = Tb x Nc x log2 M (bits por símbolo de modulación
de cada subportadora por el número total de subportadoras por el periodo de cada
bit).
A pesar de las ventajas de OFDM frente a la selectividad en frecuencia FSF, los efectos
de la dispersión temporal debida a multitrayectos también afectan con la aparición de
ISI. Para ello, se añade al símbolo OFDM un tiempo de guarda, sin información, para
hacer que las superposiciones de símbolos debidas a los multitrayectos no afecten al
sistema, pues ocurren en los tiempos de guarda (ver Figura 9). En esas circunstancias,
el periodo útil del símbolo Tu visto anteriormente para los cálculos de la separación
ortogonal de frecuencias  f es: Tu = Ts – Tg, con Ts el periodo efectivo de símbolo, y Tg
el tiempo de guarda. Apuntar que el Tg debe ser mayor que el valor de la dispersión
del retardo Ds para evitar la aparición de ISI.
Para evitar discontinuidades en la señal, durante el tiempo de guarda no desaparece
ésta, sino que cada símbolo OFDM se alarga un tiempo Tg rellenando Tg segundos al
comienzo del símbolo con los Tg segundos del final de éste. Esto es lo que se conoce
como prefijo cíclico (CP, Cyclic Prefix). Por tanto, el tiempo con información útil en el
símbolo será Tu, mientras que Ts será la duración del símbolo incluida la repetición del
CP. Existe otra razón por la que el CP se escoge repitiendo la parte final del símbolo al
principio del mismo: ejecutando así el relleno del tiempo de guarda se facilitan las
operaciones de procesado de señal a través de las IFFT en transmisión y FFT en
UD 2. Pág.
Ejercicio: En una transmisión OFDM con una tasa binaria R de 2 Mbps y 8 subportadoras con
modulación 16-QAM, calcula el tiempo útil del símbolo OFDM, la separación entre
subportadoras, el ancho de banda total de la señal y el caudal de datos en cada subportadora.
Tb = 1 / R = 0,5  s.
Nc = 8 subportadoras.
M = 16 estados de modulación; log2 M = 4 bits por cada estado.
Tu = Tb Nc log2 M = 0,5 x 8 x 4 = 16  s.
 f = 1 / Tu = 62,5 KHz.
BW total =  f Nc = 62,5 x 8 = 500 KHz.
Tasa por subportadora = 2 Mbps / 8 subportadoras = 250 Kbps.

12
recepción, que pueden ser realizadas mediante convoluciones cíclicas (periódicas)
frente a las convoluciones lineales (no periódicas), mucho más complejas de calcular en
el transmisor y en el receptor.
El inconveniente de utilizar CP y tiempo
de guarda, lógicamente, es que la tasa
de transmisión del sistema se reduce
para un ancho de banda dado, BW, o al
reducirse el tiempo útil del símbolo
OFDM,  f aumenta, y aumenta el ancho
de banda total BW a utilizar con las Nc
subportadoras.
La modulación OFDM tiene algunas
desventajas que conviene tener
presentes a la hora de implementarla en
sistemas en explotación, además de la
ya superada potencia de cálculo
requerida:
 Alto valor del parámetro PAPR
(Peak to Average Power Ratio), que
indica la importante diferencia que existe entre los valores medios de la señal y
los valores de potencia de pico. Debido a este hecho, en los amplificadores de
los transmisores OFDM se requiere linealidad en un rango importante de
potencias para evitar distorsiones no lineales en el sistema (intermodulación).
Figura 9. CP incorporado al símbolo OFDM.
UD 2. Pág.
RECUERDA
El prefijo cíclico:
 Se introduce en el sistema para
evitar la interferencia entre
símbolos (ISI) a la vez que se
simplifican los cálculos de
computación, pues se pasa de
calcular una convolución lineal a
una circular.
 No obstante, introduce una
pérdida de eficiencia en el sistema
porque durante su duración no se
envía información útil, sino
repetida.

13
Esto encarece los transmisores,
que además requieren disponer
de una fuente de alta energía. En
LTE la modulación OFDM
(OFDMA, para ser estrictos) se
implementa sólo en el nodo radio
de transmisión de la estación
base, el eNB, pues el coste es
importante en la fase de
amplificación debido al PAPR alto
y la linealidad requerida; en un
terminal móvil no se dispone de
los recursos de energía limitada
por la batería por lo que se utiliza
otra estrategia (SC-FDMA).
 Necesidad de disponer de
generadores de frecuencia muy
precisos, pues cualquier variación
en las frecuencias nominales conlleva un desplazamiento en  f causante de
una pérdida de ortogonalidad en las subportadoras, con la aparición
subsiguiente de ICI (Inter Carrier Interference). Apuntar también que este
desplazamiento en frecuencia puede deberse a efectos Doppler en el sistema,
relacionados con la dispersión Doppler ya explicada.
Figura 10. Acceso múltiple en OFDMA.
Fuente: http://wikitel.info/wiki/Imagen:640px-OFDMA_subcarriers.png#file.
UD 2. Pág.
RECUERDA
OFDM tiene algunas desventajas:
 Tiene un alto valor del parámetro
PAPR, con lo que esta modulación
no es utilizable en sistemas con
poca energía (los terminales
móviles).
 Se requieren osciladores muy
precisos para evitar
desplazamientos en frecuencia que
deharían la ortogonalidad
requeridad entre subportadoras.
 Se requiere mucha potencia de
cálculo en los procesadores.

14
2.3.2 OFDMA en el enlace descendente
OFDMA no es más que la aplicación a múltiples destinatarios (receptores) de la
modulación OFDM en el enlace descendente, asignando un grupo de subportadoras
(normalmente contiguas) a la información destinada a cierto usuario, otro grupo de
portadoras para otro usuario, etc. Adicionalmente, este esquema es variable en el
tiempo (es decir, los usuarios no tienen exclusividad del grupo de subportadoras, sino
que los grupos de subportadoras asignados cambian). Se logra pues un acceso
múltiple bidimensional tiempo – frecuencia.
La modulación digital propia de cada subportadora o grupo de subportadoras (QPSK,
16-QAM o 64-QAM) no tiene por qué ser igual, sino que en un grupo o subportadora
individual puede elegirse la modulación, así como también la codificación del canal y la
redundancia del mismo, según las características del enlace hacia el usuario concreto
atendido (calidad del servicio, distancia, ruido, interferencia, etc.) y sus requisitos de
transferencia de información. Se llama a este procedimiento adaptación del enlace
(link adaptation) y es posible gracias a las técnicas ACM (Adaptative Coding and
Modulation).
Resulta claro que con OFDMA se puede planificar (scheduling) el envío de información
a varios usuarios simultáneamente según sus necesidades, destinando distintos
recursos respecto al número de subportadoras o a slots de tiempo según la tasa de
información requerida por cada usuario. Como puede verse en la Figura 11, la
información se envía al usuario en bloques conjuntos tiempo – frecuencia que en LTE
son llamados bloques de recursos físicos (PRS, Physical Resource Blocks). LTE dispone de
Figura 11. Planificación de usuarios en OFDMA.
UD 2. Pág.

15
medios para gestionar dichos recursos, medios conocidos como gestión de recursos
radio (RRM, Radio Resource Management).
Es obvio que los mecanismos de scheduling y link adaptation trabajan conjuntamente
en el sistema LTE para lograr las tasas de transferencia efectivas más altas, en el
conjunto del sistema y a cada usuario en concreto.
OFDMA tiene muchas ventajas, la
mayoría de ellas heredadas de OFDM,
su modulación base: robustez frente a
multitrayectos, dispersión temporal (con
CP) y desvanecimientos selectivos en
frecuencia (con ecualización sencilla). No
obstante, OFDMA tiene ciertas
ventajas propias, asociadas al
scheduling:
 La tasa de información es
ajustable con una elevada
granularidad a cada usuario
según sus necesidades y estado
del canal gracias a que se puede
asignar distinto número de
subportadoras durante distinto
periodo de tiempo (scheduling) y
con modulaciones más o menos
eficientes a cada usuario (link
adaptation).
 Si la asignación de subportadoras no es contigua, se pueden evitar los
problemas de desvanecimientos selectivos en frecuencia, repartiendo sus
efectos entre varios usuarios que podrían recuperar la información
convenientemente gracias a la codificación presente.
 La planificación celular en el sistema LTE puede realizarse con un reuso de
frecuencias cercano a 1, asignando grupos de subportadoras a los usuarios del
borde de la celda que no están siendo usadas por las celdas contiguas,
reduciendo así la interferencia entre celdas del sistema (reutilización flexible).
UD 2. Pág.
RECUERDA
Ventajas de OFDMA debidas a la
planificación de usuarios (scheduling):
 Tasa de información ajustable
para cada usuario con mucha
granularidad, es decir, con
pequeños saltos en la asignación
de la velocidad de datos del
usuario.
 Es robusta frente a la FSF, de
manera que sus efectos pueden
minorarse con respecto a un solo
usuario.
 Planificacion flexible de las celdas
mediante la reutilización flexible
de los canales.

16
Las características de OFDMA definidas en la especificación del 3GPP TS 36.211 para
LTE se explicarán más adelante, así como la justificación de la elección de los
parámetros de la modulación.
2.3.3 SC-FDMA en el enlace ascendente
Como se adelantó en el apartado 1.3, el principal problema que introduce la
modulación OFDMA viene dado por el alto valor del parámetro PAPR. Como
consecuencia de ello no puede utilizarse esta modulación como tal en el enlace
ascendente desde los terminales de usuario a la estación base, debido a las
limitaciones de coste en los amplificadores, vida limitada de la batería y consumo de
potencia del terminal. No obstante, sí era deseable incorporar las ventajas de OFDMA
al enlace ascendente, como la asignación de banda flexible, la capacidad de
multiacceso y la capacidad de realizar ecualización en frecuencia evitando la ISI, a la vez
que se reduce de alguna manera la relación PAPR de la señal modulada en el uplink.
Por todo ello se escogió para el enlace ascendente la modulación de acceso múltiple
llamada SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access).
En la Figura 12 se observan las diferencias entre ambas modulaciones para un solo
usuario: mientras que OFMA transmite los 4 símbolos QPSK en paralelo, cada uno de
ellos en una subportadora, en SC-FDMA se ocupa todo el espectro para un símbolo
(existe una expansión de N = 4), pero mucho más rápido, a 4 veces la velocidad de
símbolo en OFDMA, con lo que el resto de símbolos pendientes de transmitir (los 3
restantes) pueden enviarse en el tiempo equivalente al periodo de símbolo de OFDMA.
En esta figura se comprende el porqué del nombre single carrier de esta modulación,
Figura 12. SC-FDMA vs. OFDMA. Fuente: Universidad de Colorado [9].
UD 2. Pág.

17
aun cuando no es así en absoluto, pues existen múltiples portadoras, aunque en
presentes en intervalos de tiempo distintos. Si hubiera varios usuarios en acceso
múltiple, en ¼ del periodo de símbolo de OFDMA no habría únicamente una portadora,
sino las correspondientes a los usuarios presentes.
Al igual que OFDMA, SC-FDMA divide el ancho de banda de transmisión en múltiples
subportadoras ortogonales, pero la diferencia con OFDMA estriba en que las N
subportadoras resultantes en el dominio de la frecuencia son mapeadas (mapping) en
M subportadoras (M > N), añadiendo ceros a M-N subportadoras que a continuación
son tratadas como una modulación OFDM convencional con la inserción del CP. Este
proceso logra reducir significativamente la PAPR que se tendría si no existiera el
proceso de mapeado e introducción de ceros.
Existen dos maneras de hacer el mapeado o correspondencia entre las N
subportadoras a las M:
 Mapeado localizado (LFDMA, Localized FDMA): las subportadoras con
información se colocan contiguamente en una parte dada del espectro. El ancho
de banda dedicado a un usuario concreto vendrá dado por el número N de
subportadoras que son moduladas con la información del usuario de manera
que los no ceros son colocados a la entrada del modulador OFDM de manera
consecutiva. Figura 13 A).
Figura 13. Modos SC-FDMA.
Fuente: Oriol Subirana [CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons.
UD 2. Pág.

18
 Mapeado distribuido o entrelazado (IFDMA, Interleaved FDMA): las
subportadoras con información se distribuyen a lo ancho de todo el espectro.
En el modulador esto significa que los ceros no son puestos a la entrada de
forma consecutiva, sino distribuida. Figura 13 B).
El acceso múltiple, por ejemplo para dos terminales de usuario, se realiza asignando
números N1 y N2 de portadoras a los diferentes usuarios según sus necesidades de
tasa de transferencia, con lo cual cada uno tendrá una banda disponible distinta. El
proceso de relleno con ceros se realiza de manera que las subportadoras que el
usuario 1 no utiliza y rellena con ceros son las que utiliza el usuario 2 y rellena con su
información, y viceversa.
2.4 Tecnologías multiantena: MIMO
2.4.1 Justificación de MIMO
Las técnicas multiantena están en uso desde hace tiempo, al menos las más sencillas,
como las técnicas de diversidad de espacio en recepción (SIMO, Single Input – Multiple
Output) utilizadas en GSM y diversidad de espacio en transmisión (MISO, Multiple Input
– Single Output) utilizadas en UMTS. En los tiempos actuales, las técnicas multiantenas
más depuradas como MIMO (Multiple Imput – Multiple Output) están ya incluidas en los
sistemas en explotación, como LTE o en tecnologías WiFi de alto rendimiento.
Las técnicas de diversidad espacial simples, SIMO y MISO, funcionan gracias a que si las
Mr antenas receptoras o Mt antenas transmisoras están suficientemente separadas, los
canales radio que las distintas señales trazan están lo suficientemente incorrelados
como para considerar matemáticamente que las señales recibidas son independientes,
de manera que tratándolas adecuadamente con técnicas MRC en el receptor (Maximum
Ratio Combining) se consigue una señal combinada en recepción con una mayor
relación señal a ruido (SNR, Signal to Noise Ratio), es decir una BER (Bit Error Rate)
menor.
Con el procesado adecuado MRC, la SNRt media total es la suma de las SNRi medias de
cada camino independiente de los Mr posibles (si consideramos SIMO), que además
son aproximadamente iguales entre sí, por lo que: SNRt = Mr x SNRi. Es decir, se ha
logrado una ganancia Mr, llamada ganancia de la diversidad de antenas (array gain).
La multiplexación espacial requiere una separación radioeléctrica adecuada entre las
antenas para que los caminos sean incorrelados y el posterior procesado de las señales
recibidas. La separación radioeléctrica entre las señales puede lograrse, por ejemplo, si las
antenas emiten en polarizaciones diferentes (horizontal y vertical).
UD 2. Pág.

19
Si bien este modelo es equivalente para diversidad de Mt antenas transmisoras hay
que señalar que, para que las señales lleguen en fase al receptor, el transmisor debe
conocer las características del canal, que no es el caso a no ser que el receptor se las
comunique vía señalización, lo que normalmente es inasumible por la alta tasa de
información que requeriría. Para soslayar este problema, normalmente se usan
técnicas subóptimas tipo STC (Space Time Coding) que no requieren dicha señalización
de retorno, aunque con prestaciones degradadas.
Respecto a la capacidad máxima teórica C de información del sistema con diversidad
SIMO o MISO en bps según Shannon, se tiene la siguiente expresión, con B el ancho de
banda en Hz, un array gain M, tasa de transmisión R bps y Eb/N0 la relación energía de
bit a densidad espectral de potencia de ruido:
con R < C.
Si consideramos la eficiencia espectral  = R/B bits/s/Hz, resulta despejando de las
expresiones anteriores que
La conclusión que se extrae es que para sistemas con alta eficiencia espectral, como es
el caso de LTE, la relación Eb/N0 debe ser muy elevada debido a la función exponencial
con base 2 presente. Así pues, los sistemas de diversidad espacial en transmisión o
en recepción no son suficientes para el sistema LTE por las limitaciones de potencia
existentes, sino que hay que avanzar en la estrategia multiantena hasta la más potente
tecnología MIMO.
2.4.2 Introducción a MIMO
La tecnología MIMO de multiplexación espacial, con Mr antenas en recepción y Mt
antenas en transmisión, resulta en L = min (Mr, Mt) trayectos desacoplados teóricos,
con envío de información independiente por cada camino de los L desacoplados. L nos
indica entonces los grados de libertad del sistema de multiplexación espacial de la
información. Pero lograr estos L caminos independientes no es inmediato, ya que la
situación real es que la señal se transmite desde Mt antenas hasta Mr antenas por
todos los trayectos posibles, aunque no todos los trayectos son independientes. Para
lograr los L trayectos desacoplados es necesario preprocesar la señal a transmitir y
UD 2. Pág.

20
postprocesarla también en el receptor,
bajo unos determinantes hechos
matemáticos subyacentes que conducen
aqdemás a ciertas estrategias de reparto
de potencia en el transmisor (waterfilling
power allocation).
Antes de continuar explicando las bases
matemáticas de la tecnología MIMO,
continuemos con la justificación
comenzada en el epígrafe anterior
respecto a la Eb/N0 necesaria en un
sistema MIMO, que debería ser mucho menor que la requerida en un sistema con
diversidad SIMO o MISO y, de hecho, lo es. Si se logran con las técnicas adecuadas L
trayectos independientes, la capacidad teórica del sistema aumenta linealmente con L:
con R < C.
Considerando la eficiencia espectral  = R/B bits/s/Hz resulta, despejando de las
expresiones anteriores, que
lo que supone una reducción significativa de la Eb/N0 necesaria para lograr la misma
eficiencia espectral del sistema (alta en LTE), gracias a a división por L en el exponente
de base 2.
Ejemplo: Se tiene que para L = 4 caminos desacoplados y  = 5 bits/s/Hz, la Eb/N0
requerida con MIMO (multiplexación espacial con 4 grados de libertad) es del orden de -5
dB, mientras que es del orden de 2 dB para SIMO / MISO (diversidad espacial), lo que
supone unos no pocos significativos 7 dB de diferencia, presentes con un valor de la
eficiencia espectral alto, como en este ejemplo; con  bajo, la diferencia en la Eb/N0
requerida no es tan importante. Tan significativos son esos 7 dB que justifican los
procesados de señal presentes en transmisión y recepción para LTE ( alto) si se quiere
lograr un tamaño de celda apropiado, con calidad en el borde de la celda.
UD 2. Pág.
RECUERDA
MIMO requiere estrategias de:
 Procesado de señal en transmisión
y en recepción.
 Reparto de potencia en
transmisión (waterfilling power
allocation).

21
2.4.3 Bases matemáticas de la transmisión MIMO óptima
Como se ha adelantado en el epígrafe anterior, la tecnología MIMO parte de una
situación inicial en la que todos los trayectos posibles entre las Mr antenas receptoras y
las Mt antenas transmisoras se dan, aunque únicamente L = min (Mr, Mt) de los
trayectos están desacoplados. Esto, teóricamente, se logra si se dispone la suficiente
separación entre antenas para que los trayectos estén incorrelados o si las antenas
transmiten en polarizaciones opuestas, loq ue hace necesaria una menor separación.
En la Figura 14 se representan los Mr x Mt caminos posibles de la señal, indicando con
hij = hij (, t) la respuesta impulsional variante en el tiempo del camino entre la antena
transmisora j y la antena receptora i. La matriz H = (hij) compleja de dimensión Mr x Mt
y rango L formada por los hij determina el multicanal MIMO, siendo además una
función del tiempo (canal no estacionario, variante en el tiempo) y del retardo
temporal: H = H(, t); la letra negrita denota vectores complejos.
Se considera yi(t) la señal en la salida de la antenas i-ésima receptora, y sj(t) la señal a
la entrada de la antena j-ésima transmisora; y(t) y s(t) agrupan en vectores columna
todas las salidas y entradas indicadas yi(t) y sj(t), respectivamente. En este caso, la
caracterización de la transmisión vendrá dada por la convolución de s(t) y H(, t):
y(t) = H(, t) * s(t)
Si la respuesta del canal no tiene dispersión (canal sin desvanecimientos selectivos en
frecuencia, como es el caso del OFDMA de LTE en cada subportadora por ser el
espectro plano en ellas), la convolución anterior se transforma en un simple producto
sin  (dispersión):
y(t) = H(t) s(t)
Si tenemos en cuenta el ruido térmico del sistema (vector n), le expresión anterior
queda:
Figura 14. MIMO sin procesado.
UD 2. Pág.

22
y(t) = H(t) s(t) + n(t)
Para conocer cualitativamente qué procesado de señal se ha de introducir con el fin de
lograr la óptima transmisión MIMO podemos prescindir del ruido térmico, con lo que
queda, eliminando también por simplicidad la dependencia temporal:
y = H s
H se puede diagonalizar (SVD, Singular Value Decomposition), es decir, descomponer en:
H = U D VH
donde D es una matriz diagonal cuyos elementos distintos de cero (exactamente L
elementos, por ser L el rango de la matriz H) son los valores singulares  i de H (siendo
 i =  i , y  i los autovalores de H):
Figura 15. MIMO con procesado.
UD 2. Pág.

23
Por otro lado, VH
denota la matriz hermítica de V, es decir, la matriz traspuesta y
conjugada de V –recordemos que son matrices complejas-; además, tanto U como V
son matrices ortogonales en el ámbito complejo, es decir:
VH
V = V VH
= U UH
= UH
U = I
con I la matriz identidad de dimensión L.
Si la caracterización del canal pudiera hacerse por D en vez de por H, siendo D
diagonal, significaría que únicamente existirían los trayectos desde la antena
transmisora 1 a la antena receptora 1, desde la antena transmisora 2 a la antena
receptora 2, …, y desde la antena transmisora L a la antena receptora L. Es decir, se
tendrían L trayectos totalmente desacoplados caracterizados por una ganancia -en
realidad pérdida pues  i < 1-  1,  2, … ,  L, respectivamente. Pues bien, es posible
lograrlo preprocesando las señales a transmitir, a la vez que postprocesando las
señales recibidas. Veámoslo:
En lugar de transmitir la señal s directamente, procesamos ésta (preprocesado) y se
transmite la señal s’ = V s, con lo que
y’ = H s’
y’ = H V s
En el receptor, en lugar de aceptar la señal y’ a la salida de las antenas receptoras,
procesamos la señal y’ multiplicándola por UH
(postprocesado) y nos quedamos con la
señal y = UH
y’; entonces se tiene:
y’ = H V s
y = UH
y’
y = UH
H V s
Sustituyendo la descomposición SVD de H, H = U D VH
, queda como señal en el
receptor:
UD 2. Pág.
Si los caminos no están completamente incorrelados, el rango de la matriz H no será L,
sino r < L; es decir, L es el máximo número de caminos desacoplados posible, con
todos los caminos incorrelados entre sí.

24
y = UH
U D VH
V s
Recordando que U y V son matrices ortogonales, finalmente queda:
y = D s
con la señal recibida en el canal i, yi , así:
yi =  i si
siendo si la señal transmitida en la antena i (i = 1 … L).
Es decir, con la introducción del pre y postprocesado, el canal queda caracterizado por
D en lugar de por H. D es una matriz diagonal que independiza los trayectos,
desacoplándolos, y dotándolos de una ganancia (pérdida)  1,  2, …,  L. Se ha logrado
finalmente tener desacoplados los trayectos en el sistema MIMO y, por ende, lograr
que la capacidad del sistema R bps sea la suma de las capacidades de los L trayectos
desacoplados. Este era el efecto buscado, según lo visto al final del epígrafe anterior,
para requerir una Eb/N0 razonable con unas condiciones de eficiencia espectral alta
presente en LTE. Volvemos con más detalle sobre la capacidad MIMO y el control de
potencia requerido en el epígrafe 2.4.4
2.4.4 Información de retorno y control de potencia
Los procesados en transmisión y en recepción requeridos en MIMO dan por supuesto
que se conoce la matriz de transferencia del canal H, con el propósito de que pueda
hallarse su SVD e incorporar V y U a los procesadores (en concreto incorporar V al
transmisor, lo que se conoce como CSIT, Channel State Information in the Transmitter).
Para conocer H, pueden transmitirse unas señales piloto que son analizadas y
caracterizadas en recepción; en ese
punto, el receptor envía de vuelta V
hacia el transmisor, puesto que ya
conoce H y su descomposición SVD.
Es obvio que la matriz V debe
actualizarse constantemente puesto que
el canal (es decir, H) es variable en el
tiempo, con un periodo mucho menor
que el tiempo de coherencia del canal.
Resulta que las tasas datos resultantes
RECUERDA
La implementación completa del
precodificador requiere una alta tasa
de datos de overhead, por lo que se
utilizan matrices de precodificación
predefinidas en el transmisor.
UD 2. Pág.

25
para esta realimentación de información (overhead) son inasumibles: más de 1 Mbps si
en un MIMO con L = 4 actualizamos la matriz V cada 100  s con 8 bits de
cuantificación. Entonces, para solventar este obstáculo, LTE recurre a una solución
subóptima: se definen una serie de matrices V dadas que el transmisor almacena,
escogiendo en cierto instante aquella matriz V precodificada que el receptor determina
como la más parecida al canal. Aunque aparece cierta pérdida de capacidad en el
sistema MIMO, se escoge esta técnica por no requerir el overhead mencionado
anteriormente.
Por otro lado, en lo que respecta a la capacidad del sistema, se ha adelantado que es la
suma de los L canales desacoplados presentes en MIMO, de manera que:
siendo pi la potencia asignada en transmisión al canal i-ésimo. y  i la ganancia de
dicho canal.
Ya que la tasa de transmisión de información en bps está limitada por C, es deseable
hallar el máximo valor de C en función de las potencias de las pi asignadas, que es un
valor de elección en el transmisor. El único requisito es que la suma total de las pi sea
igual a la potencia total P disponible en el transmisor, que está limitada. Lo que resulta
es el algoritmo ya mencionado waterfilling power allocation para el reparto de potencia
a los caminos independientes MIMO: se asigna más potencia a los canales con
mejor SNR, dejando de lado los canales con peor relación SNR, puesto que se los
considera no utilizables por aportar poca capacidad y requerir mucha potencia de la
globalmente disponible para lograr una mejoría apreciable en dichos canales ruidosos.
Un caso particular que merece considerarse es el caso en el que todos los canales
tienen una alta SNR: en estas circunstancias, el reparto de potencia entre los distintos
canales es equitativo, resultando en que pi = P/L. En ese caso puede observarse, si se
opera matemáticamente en la expresión anterior, que el aumento de la capacidad es
lineal con L, aunque con un límite asintótico que se alcanza cuando, en un entorno de
alta SNR en todos los canales, los valores singulares o ganancias de cada canal  i son
iguales. En consecuencia, es de interés que la relación entre la mayor y la menor
ganancia presentes sea un valor próximo a 1, lo que se ha dado en llamar que el
sistema MIMO y su matriz H estén bien condicionados. H está bien condicionada
cuando sus elementos hij son bastante distintos entre sí, lo que equivale a que los Mr x
Mt trayectos son incorrelados.
UD 2. Pág.

26
Esta última apreciación sobre el sistema MIMO bien condicionado merece una especial
atención: si el sistema es un MIMO 2x2 con condiciones óptimas de propagación (LOS,
Line Of Sight), resulta que los valores singulares  i de H son muy distintos (con uno de
ellos cercano a cero) con lo que H no está bien condicionada, dando lugar a una
transmisión con una baja capacidad. Entonces es como si no existiera el sistema MIMO
porque prevalece un canal sobre el otro al existir solamente una ganancia apreciable
en un camino; se dice que “solamente se excita un modo”.
UD 2. Pág.
Para lograr el máximo de capacidad de transmisión en el sistema con MIMO, además del
pre y del postprocesado, hay que repartir la potencia del transmisor según el algoritmo
waterfilling power allocation. Si el sistema tiene una buena SNR en todos los canales, la
máxima capacidad se logra cuando la matriz H está bien condicionada.

1
Unidad 3
ARQUITECTURA DEL SISTEMA LTE
Índice
3.1 Arquitectura general....................................................................................................... 3
3.1.1 Funciones y elementos en E-UTRAN................................................................ 3
3.1.2 Funciones y elementos en EPC......................................................................... 4
3.2 Interfaces.......................................................................................................................... 7
3.2.1 Interfaz Uu ........................................................................................................... 7
3.2.2 Interfaz X2............................................................................................................ 7
3.2.3 Interfaz S1............................................................................................................ 8
3.3 Protocolos......................................................................................................................... 9
3.3.1 Protocolos en E-UTRAN...................................................................................... 9
3.3.2 Protocolos en EPC............................................................................................. 13
3.4 Servicio portador EPS ................................................................................................... 14
3.5 QoS en EPS ..................................................................................................................... 16
3.6 Seguridad........................................................................................................................ 17
3.7 Arquitectura multimedia IP: IMS................................................................................. 18
3.7.1 Servicios de voz en redes LTE a través de IMS ............................................ 19
3.7.2 Servicios de voz en redes LTE a través de CSFB.......................................... 20
El finalizar la unidad el alumno debe ser capaz de comprender el flujo de la
información, tanto de control como de usuario, en el sistema LTE. También
conocerá los servicios portadores presentes en el sistema y los protocolos
presentes en los distintos interfaces estandarizados. Finalmente, el alumno
conocerá las soluciones actuales y futuras existentes en el sistema para cursar las
llamadas de voz.

2
3. ARQUITECTURA DEL SISTEMA LTE
El sistema LTE ha sido diseñado desde sus inicios para la transmisión de datos en
modo paquete (PS) mediante el protocolo IP entre el usuario y la red de datos o
Internet. Así pues, el sistema necesita que la arquitectura de red móvil sea
completamente nueva, jerárquicamente plana y más sencilla, para cumplir con los
requisitos de retardo, jitter, simplicidad de gestión, interconectividad entre sistemas
radio presentes (3GPP como GSM / EDGE o UTRAN; o no 3GPP, como WiMax), etc. Este
hecho ha dado lugar a una arquitectura troncal del sistema totalmente nueva
pensando en estos requisitos, lo que se ha dado en llamar Evolved Packet Core (EPC),
que acompaña a la red radio evolucionada de LTE (E-UTRAN). En conjunto, E-UTRAN
como parte de acceso y EPC como parte troncal de red, conforman el sistema
evolucionado de paquetes (EPS, Evolved Packet System), especificado en la Release 8 del
3GPP.
La calidad ofrecida en LTE, o mejor dicho, en EPS, se ha tenido muy presente,
incorporando el sistema elementos de calidad de servicio (QoS, Quality Of Service)
desde la red al usuario y viceversa. Con QoS presente, LTE ya es capaz de cursar todo el
tráfico de voz mediante VoIP de manera nativa a través del subsistema IMS (IP
Multimedia Subsystem) con protocolo SIP estandarizado, aunque también es capaz de
soportar voz convencional CS mediante técnicas de pasarela. La calidad de los servicios
de datos en LTE es soportada mediante los llamados EPS bearers que son flujos de
datos con una determinada QoS entre el terminal (con su correspondiente parte
portador radio (RB, Radio Bearer; no confundir con PRB, Physical Resource Block) y el
sistema: por ejemplo, el servicio de VoIP es muy exigente respecto a los parámetros de
retardo y jitter, así que el bearer (portador) de este servicio establecerá una QoS
adecuada al servicio, mientras que en el mismo terminal pueden existir otros bearers
activos simultáneos, para descarga de un archivo por ejemplo, con otros requisitos
menores en QoS.
EPS también tiene que mantener la interconectividad del sistema LTE con las redes
presentes 2G o 3G para asegurar el servicio de los nuevos terminales en zonas sin
cobertura 4G a la vez que utiliza las bases de datos presentes de subscritores del
sistema, como las ubicadas en el HSS (Home Subscriber Server).
Además, en EPS existe una clara diferenciación entre los protocolos de usuario y los
protocolos de control del sistema.
UD 3. Pág.

3
3.1 Arquitectura general
El sistema EPS se diseña jerárquicamente plano, especialmente en la red de acceso
radio evolucionada E-UTRAN, donde la decisión y el control de los usuarios está en la
estación base, sin que existan jerarquías de éstas, como en GSM o en UMTS, con la
estación base como elemento radio por un lado (BTS en GSM y Node B en UMTS), y la
controladora radio por otro (BSC en GSM y RNC en UMTS). Por eso en E-UTRAN, la
estación base llamada Evolved Node B, eNB, es la que realiza todas las funciones radio y
de control de los usuarios en el interfaz radio con el terminal móvil de usuario UE, User
Equipment.
Todo el sistema de interconexión de datos entre la parte E-UTRAN y el EPC es IP, al
igual que entre los usuarios y el mundo exterior hacia Internet (a través del interfaz
SGi). La red troncal EPC incluye los sistemas existentes de bases de datos y pasarelas
entre sistemas, también conectados con IP entre ellos mediante una red de transporte
IP convencional, con routers, DNS, etc.
3.1.1 Funciones y elementos en E-UTRAN
En la red de acceso radio del sistema, concretamente en la estación base “inteligente”
eNB, se realizan todas las funciones radio de control y de tráfico de usuario
proveniente del UE a través del interfaz Uu, con una jerarquía plana, como se ha
comentado, lo que supone mejor comportamiento en retardos y jitter del sistema. Los
protocolos establecidos en la parte radio entre el eNB y el UE se llaman,
genéricamente, AS (Access Stratum), en contrapartida con los protocolos entre E-UTRAN
y EPC, llamados NAS (Non Access Stratum). Entre las estaciones eNB se define el interfaz
X2 que señaliza los traspasos de celda entre estaciones eNB y la gestión del reuso de
frecuencias entre celdas. Y entre todos los eNB y la red troncal de datos EPC se define
el interfaz S1, con capas separadas de control y de usuario (con el tráfico de datos útil
del usuario).
Las funciones que realiza el eNB son:
 Funciones radio de nivel físico, relativas al interfaz Uu entre el terminal móvil y
el eBN: modulación y demodulación; codificación del canal y corrección de
errores, calidad del enlace radio, medidas del canal, cifrado de la información,
etc.
 Compresión de cabeceras IP: puesto que el sistema opera con paquetes IP en el
interfaz aire entre eNB y UE, el sistema optimiza la información de overhead
presente en la capa IP a transmitir en el servicio portador radio RB.
UD 3. Pág.

4
 Funciones de control de los recursos radio dedicados a una comunicación:
asignación, modificación y liberación de recursos radio (RRC, Radio Resource
Control), scheduling, etc. En 3G estas funciones se realizaban en el RNC, con lo
que la gestión radio adolecía de un retardo añadido por la comunicación
Node B – RNC.
 Difusión de la señal de control (broadcast) de la información de celda,
parámetros radio como potencia máxima, identidad de la red y del nodo radio,
identidad de los operadores que utilizan este eNB, etc.
 Control de la movilidad entre celdas mediante la gestión de los traspasos o
handovers.
 Comunicación con el EPC a dos niveles: a nivel de información de usuario con el
S-GW, y a nivel de control con el MME (Mobility Management Entity). Ver Figura
16.
3.1.2 Funciones y elementos en EPC
En la red troncal EPC (Figura 16), el Evolved Packet Core, los elementos presentes
pueden ser equipos diferenciados o servidores que realicen varias funciones a la vez,
según esté configurada en el operador la disposición hardware del sistema. En
cualquier caso, funcionalmente se identifican estos elementos:
 MME, Mobility Management Entity. Es el servidor de señalización de la movilidad
que actualiza la posición del UE dentro de la red, gestiona los avisos al terminal
(paging), etc. El MME gestiona el plano de control de los UE conectados a la red
LTE, por lo que es un extremo del interfaz S1-C hacia la red radio E-UTRAN.
Cualquier terminal activo en la red LTE está registrado en el MME, puesto que
éste realiza las funciones de autenticación y acceso de los usuarios al sistema
(previa consulta a la base de datos HSS). También gestiona y controla de los
servicios portadores del usuario: establecimiento, mantenimiento y liberación
del servicio portador. Una función importante en el MME es el interworking con
otras redes: MME está conectado a la entidad SGSN (Serving GPRS Support
Node), su alter ego de la red 2G / 3G, a través del interfaz S3, lo que permite
gestionar la información del usuario en los traspasos de una red GERAN
(GSM / EDGE) o UTRAN (UMTS) a E-UTRAN o viceversa.
UD 3. Pág.

Introduccion al sistema de telefonia movil LTE

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