3GPP LTE HACIA LA 4G MOVIL

Öndice de figuras ix
Öndice de tablas xvii
Acr¢nimos xxi
1. Introducci¢n 1
Narc¡s Cardona, Mario Garc¡a Lozano, Jose F. Monserrat
1.1. Tendencias de mercado y tecnolog¡a . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Roadmap del 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Requisitos del sistema LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4. Espectro radioel?ctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5. Arquitectura global del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6. Comparativa UMTS vs. LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2. Tecnolog¡as habilitantes de LTE 17
Narc¡s Cardona, Joan J. Olmos
2.1. Introducci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2. Ecualizaci¢n en el dominio de la frecuencia . . . . . . . . . . . 18
2.2.1. Convoluci¢n circular discreta . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3. OFDM/OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1. OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2. OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5. T?cnicas MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.1. Modelo de canal y capacidad m xima MIMO . . . . . . 34
2.5.2. Multiplexaci¢n MIMO en lazo abierto: receptores ZF y
MMSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.3. Diversidad en transmisi¢n basada en MIMO: c¢digos espaciotiempo
o STBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.4. Esquemas MIMO/OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.5. T?cnicas MIMO multiusuario . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6. HARQ y codi_caci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.1. Codi_caci¢n de canal en LTE . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7. Adaptaci¢n al canal y scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.7.1. Adaptaci¢n al canal: control de potencia y control de tasa 61
2.7.2. Scheduling dependiente del estado del canal . . . . . . . 61
2.7.3. Coordinaci¢n de interferencias inter-celda . . . . . . . . 63
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3. El N£cleo de Red - EPC 69
Jose F. Monserrat
3.1. Introducci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2. Entidades funcionales del EPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.1. HSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2. EIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.3. MME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.4. S-GW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.5. PDN-GW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.6. PCRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3. Arquitectura del n£cleo de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.1. Arquitectura en roaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.2. Interconexi¢n con otras redes . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.3. Arquitectura de protocolos en el EPC . . . . . . . . . . 81
3.4. El subsistema IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.1. Arquitectura IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.2. SIP/SDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.3. RTP/RTCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5. Seguridad en el EPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.5.1. Proceso de autenticaci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.2. Cifrado e integridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.6. Gesti¢n de la calidad de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4. Arquitectura de la E-UTRAN 101
Daniel Calabuig Soler
4.1. Estructura de la E-UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2. Plano de usuario y plano de control . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3. Radio Resource Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.1. Transmisi¢n de informaci¢n del sistema . . . . . . . . . 107
4.3.2. Paginaci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.3. Establecimiento, mantenimiento y liberaci¢n de una conexi
¢n RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.4. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.5. Establecimiento, con_guraci¢n, mantenimiento y liberaci
¢n de radio bearers punto a punto . . . . . . . . . . . 110
4.3.6. Env¡o y control de informes de medidas . . . . . . . . . 110
4.3.7. Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.8. Selecci¢n y reselecci¢n de celda y control de este proceso 112
4.3.9. Transferencia de contextos entre eNodeB . . . . . . . . 113
4.3.10. Transferencia directa de mensajes NAS . . . . . . . . . 113
4.3.11. Transferencia de capacidades del UE . . . . . . . . . . . 113
4.3.12. Tratamiento de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.13. Apoyo a la autocon_guraci¢n y autooptimizaci¢n . . . . 113
4.4. Packet Data Convergence Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4.1. Compresi¢n de cabeceras . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4.2. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.3. Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.4. Descarte de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5. Radio Link Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.1. Transparent Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.5.2. Un-acknowledged Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.5.3. Acknowledged Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.6. Medium Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.6.1. Canales l¢gicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.6.2. Canales de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6.3. Funciones de la capa MAC . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.6.4. Multiplexaci¢n y priorizaci¢n de canales l¢gicos . . . . . 123
4.6.5. Correcci¢n de errores mediante HARQ . . . . . . . . . . 124
4.6.6. Scheduling y priorizado de UE . . . . . . . . . . . . . . 125
4.6.7. Formato de paquete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.7. Otras interfaces E-UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.7.1. S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.7.2. X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5. Capa f¡sica LTE-FDD 135
Joan J. Olmos
5.1. Introducci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2. Canales f¡sicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2.1. Mapeo de canales de transporte en canales f¡sicos . . . . 137
5.3. Par metros de capa f¡sica LTE y estructura de trama . . . . . . 139
5.4. Descripci¢n del enlace descendente . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4.1. Recursos f¡sicos del enlace descendente . . . . . . . . . . 140
5.4.2. Procesado de capa f¡sica en DL . . . . . . . . . . . . . . 142
5.4.3. Canales f¡sicos en DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.4.4. Se¿ales de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.4.5. Se¿ales de sincronismo y procedimiento de b£squeda de
celda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4.6. T?cnicas MIMO en DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5. Descripci¢n del enlace ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.5.1. Recursos f¡sicos del enlace ascendente . . . . . . . . . . 161
5.5.2. Canales f¡sicos en UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.5.3. Se¿ales de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.5.4. T?cnicas MIMO en UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.6. Procedimientos de capa f¡sica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.6.1. Procedimientos del enlace descendente . . . . . . . . . . 177
5.6.2. Procedimientos del enlace ascendente . . . . . . . . . . . 182
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6. Movilidad y otros procedimientos del EPS 187
Mario Garc¡a Lozano
6.1. Introducci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2. Estados del terminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.1. Estados RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.2. Estados EMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.2.3. Estados ECM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.2.4. Relaciones entre estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3. Movilidad en modo idle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.3.1. Selecci¢n de PLMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.3.2. Selecci¢n de celda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.3.3. Reselecci¢n de celda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.3.4. Registro/desregistro en la red. . . . . . . . . . . . . . . 204
6.3.5. Actualizaci¢n de  reas de tracking . . . . . . . . . . . . 207
6.3.6. Procedimiento de aviso o paging . . . . . . . . . . . . . 212
6.3.7. Reducci¢n de la se¿alizaci¢n en modo idle (ISR) . . . . 216
6.4. Movilidad en modo active . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.4.1. Medidas realizadas por el UE . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.4.2. Handover X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.4.3. Handover S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.4.4. Handover no exitoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.4.5. Handover interRAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.5. Movilidad en celdas con CSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7. Gesti¢n de recursos radio 239
Silvia Ruiz, David Gonz lez G
7.1. Introducci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.2. Recursos temporales y frecuenciales disponibles . . . . . . . . . 242
7.3. Control de admisi¢n y par metros de calidad de servicio . . . . 244
7.4. Par metros de se¿alizaci¢n en UL y DL . . . . . . . . . . . . . 246
7.4.1. Indicadores de calidad del canal (CQI) . . . . . . . . . . 246
7.4.2. Se¿ales de referencia (SRS) . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.4.3. Estado de las colas (BSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.5. Estrategias de asignaci¢n de recursos en DL . . . . . . . . . . . 249
7.5.1. Scheduling en el dominio de la frecuencia FDPS . . . . 251
7.5.2. Scheduling en el dominio temporal TDPS . . . . . . . . 251
7.5.3. Scheduling en el dominio del tiempo y frecuencia TD-FDPS252
7.6. Estrategias de asignaci¢n de recursos en UL . . . . . . . . . . . 256
7.6.1. Scheduling en el dominio del tiempo y de la frecuencia
TD-FDPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7.7. T?cnicas de coordinaci¢n de interferencias . . . . . . . . . . . . 264
7.7.1. Interferencia intercelular e ICIC . . . . . . . . . . . . . 265
7.7.2. An lisis y rendimiento de estrategias ICIC est ticas en
LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.7.3. Estrategias ICIC din micas en LTE . . . . . . . . . . . 279
7.7.4. Aspectos de implementaci¢n en LTE . . . . . . . . . . . 280
7.7.5. T?cnicas adicionales para control de interferencias . . . 283
7.8. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8. An lisis de prestaciones de LTE 293
David Mart¡n-Sacrist n Gand¡a
8.1. Metodolog¡a de evaluaci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.1.1. Evaluaciones previas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.1.2. Indicadores de prestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . 296
8.1.3. M?todos de evaluaci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
8.1.4. Escenarios de evaluaci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
8.1.5. Modelado de canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
8.2. Tasas de pico de capa f¡sica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.3. Latencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.3.1. Latencia del plano de control . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.3.2. Latencia del plano de usuario . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.4. Tiempo de interrupci¢n por Handover . . . . . . . . . . . . . . 317
8.5. Evaluaci¢n de nivel de enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.5.1. Enlace descendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
8.5.2. Enlace ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.6. Evaluaci¢n de nivel de sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
8.6.1. Factores de geometr¡a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.6.2. E_ciencia espectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.6.3. Capacidad VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
8.7. Link Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
9. Difusi¢n de contenidos en LTE 345
Ana Fern ndez Aguilella
9.1. Introducci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
9.2. Modos de operaci¢n de E-MBMS . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
9.2.1. Broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
9.2.2. Multicast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
9.3. Servicios de usuario de MBMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
9.3.1. Servicios de descarga de _cheros . . . . . . . . . . . . . 352
9.3.2. Servicios de streaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
9.3.3. Servicios carrusel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
9.3.4. Servicios de televisi¢n m¢vil . . . . . . . . . . . . . . . . 353
9.4. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
9.5. Canales f¡sicos MBMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
9.6. Multiplexaci¢n de servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
9.7. MBSFN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
9.7.1. Transmisi¢n de datos con MBSFN . . . . . . . . . . . . 358
9.7.2. Sincronizaci¢n de las celdas . . . . . . . . . . . . . . . . 361
9.7.3. Despliegue de una red E-MBMS . . . . . . . . . . . . . 363
9.8. Transmisi¢n de servicios con E-MBMS . . . . . . . . . . . . . . 365
9.8.1. Modelo de sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
9.8.2. Servicios de televisi¢n m¢vil . . . . . . . . . . . . . . . . 367
9.8.3. Servicios de descarga de _cheros . . . . . . . . . . . . . 370
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
10.El futuro de LTE: LTE-Advanced 375
Jorge Cabrejas Pe¿uelas
10.1. Introducci¢n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
10.2. Caracter¡sticas generales de IMT- Advanced . . . . . . . . . . . 377
10.3. Requisitos de IMT- Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
10.3.1. Servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
10.3.2. Espectro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
10.3.3. Prestaciones t?cnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
10.4. Procedimiento de evaluaci¢n de IMT- Advanced . . . . . . . . . 386
10.5. Caracter¡sticas generales de LTE- Advanced . . . . . . . . . . . 388
10.6. Requisitos de LTE- Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
10.6.1. Requisitos relacionados con la capacidad . . . . . . . . . 389
10.6.2. Prestaciones del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
10.6.3. Despliegue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
10.7. Propuestas en estudio en el 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . 392
10.7.1. Agregaci¢n de espectro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
10.7.2. Esquema de transmisi¢n en el enlace ascendente . . . . 398
10.7.3. Esquema de transmisi¢n en el enlace descendente . . . . 398
10.7.4. Coordinated Multipoint Transmission/Reception . . . . 400
10.7.5. Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
10.7.6. Mejoras de la latencia en plano de control y en plano de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Las Comunicaciones Móviles, que fueron un privilegio para unos pocos en la década de los 80, han alcanzado ya su nivel de saturación en cotas de penetración en el Mercado. La voz y los mensajes cortos siguen representando un elevado porcentaje del uso de los terminales móviles, pero desde hace unos pocos años están creciendo exponencialmente las cifras de tráfico en servicios de datos, especialmente empujados por la navegación web y el correo electrónico. La introducción primero de la adaptación a GPRS de los sistemas de 2ª generación y el posterior despliegue de UMTS, con su ampliación específica para datos de alta velocidad HSPA, han permitido soportar ese incremento durante la primera década de este siglo. Sin embargo, las previsiones de crecimiento actuales hacen necesario el despliegue en muy poco tiempo de nuevas soluciones, por lo que el foro de estandarización europeo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ha continuado evolucionando sus propuestas cerrando a finales de 2008 la primera versión de una nueva generación de redes de acceso radio celular: Long Term Evolution (LTE) y en 2010 la versión avanzada (LTE-A) que la Unión Internacional de Telecomunicaciones ha reconocido ya como estándar de 4ª generación. LTE arranca su andadura en el mercado con la intención de ofrecer servicios de datos de gran ancho de banda, multiplicando por más de 10 las tasas binarias ofrecidas en 3G y con infraestructuras de redes más eficientes basadas en una arquitectura de red de acceso simplificada. Además, la flexibilidad en el uso del espectro que se contempla en el estándar LTE facilita la regulación del uso de distintas bandas de frecuencia y la sustitución progresiva de los anteriores estándares de 2ª y 3ª generación. Este texto cubre todos los aspectos técnicos relevantes del estándar LTE, desde la descripción de los mecanismos de acceso radio y canales físicos, hasta las consideraciones sobre despliegue y gestión de recursos en redes LTE operativas. En todos y cada uno de los capítulos se ha utilizado una redacción orientada a la comprensión del texto, con las miras puestas en su potencial uso como libro de texto, pero sin dejar de lado ningún detalle significativo del estándar de 3GPP, por lo que el libro puede también considerarse como de referencia para profesionales del sector. Los autores son investigadores españoles de reconocido prestigio en su ámbito que han participado en los últimos años en las propuestas Europeas de estandarización de LTE de forma directa o a través de proyectos de investigación y foros científicos y tecnológicos.